ספיגת מימן פלואורי להגברת קצב הגיבוש

שני מדענים מהמעבדה הלאומית של משרד האנרגיה האמריקאי פיתחו שיטה לבקרת כמויות הגז מימן פלואורי במהלך ההכנה של גבישים סדורים הנדרשים ביישומים של על-מוליכים, התקנים אופטיים ורכיבי מיקרו-אלקטרוניקה

שני מדענים מהמעבדה הלאומית של משרד האנרגיה האמריקאי פיתחו שיטה לבקרת כמויות הגז מימן פלואורי במהלך ההכנה של גבישים סדורים הנדרשים ביישומים של על-מוליכים, התקנים אופטיים ורכיבי מיקרו-אלקטרוניקה. האמצאה תוכל לסלול את הדרך לייצור יעיל יותר ולשיפור ביצועיהם של חומרים אלו.

לחומרים בעלי מבנה אטומי גבישי מסודר ביותר יש פוטנציאל גבוה מאוד לשמש בהתקנים חוסכי-אנרגיה כגון על-מוליכים, שהינם חומרים המסוגלים להעביר זרם חשמלי ללא אובדן אנרגיה, ורכיבי-אלקטרוניקה המעבירים זרם במהירות מרובה. לרוב, מכינים גבישים אלו מתוך חומרי-מוצא (קודמנים) הספוחים על משטחים – לדוגמא: רצועות, חוטים או שבבים, כגון אלו המשמשים בייצור של שבבי מחשב.

הוספת פלואור לקודמנים מגבירה את “השראת” הסדר מהמצע לחומר ה”צומח” עליו. אולם, השימוש בפלואור מהווה גם בעיה בשל ההצטברות של הגז מימן פלואורי (hydrogen fluoride, HF). נוכחותו של גז זה מאטה את קצב התגובה הממירה את הקודמן לחומר הרצוי והסופי, לעיתים עד כדי מניעתה לחלוטין.

“היינו יכולים לחשוב שפשוט צריך להרחיק את הגז המצטבר, אך שיטות כאלו הוכחו כלא מעשיות,” אומר החוקר הראשי. הסיבה הראשונה לקשיים הינה שאתה צריך להרחיק את הגז באופן אחיד כדי להימנע משינויים בלחץ הפנימי של התגובה שעלולים להשפיע על צמיחת הגבישים. בנוסף, גזים אחרים הנדרשים לצמיחת הגבישים, כגון חמצן ואדי מים, מורחקים גם הם יחד עם המימן הפלואורי והשבת גזים אלו לאחר-מכן לתגובה יוצרת בעיות לחצים נוספות.

“פיתחנו שיטה משופרת להרחקת מימן פלואורי המבוססת על ספיגתו, שיטה המגבירה את הייצור של חומרים גבישיים ברמה גבוהה,” מסביר החוקר.

השיטה החדשה כוללת חומר מוצק המסוגל לספוג לתוכו את הגז מימן פלואורי והמוכנס לתוך כלי התגובה. החומר המוצק יכול להיקשר למשטח הפנימי של כלי התגובה או להיות בו חופשי, כל עוד הוא מתאים בצורתו לקודמן ומצוי במרחק קבוע ממנו. כך מתאפשרת הרחקה אחידה של הגז לאורך שטח נרחב, תוך קבלת תוצרים סופיים גבישיים אחידים והומוגניים, ללא קשר לצורתו של הקודמן או לשטח שהוא תופס בתוככי כלי התגובה.

כסופחי מימן פלואורי ניתן להשתמש במגוון חומרים, החל מתחמוצות אלקליות-עפרוריות ועד חומרים המכילים סידן, נתרן או אפילו פחמן פעיל. את החומר הסופח ניתן לרסס, לצבוע או לספוח על מצעים שונים כגון קוורץ או תחמוצות שונות, המרכיבות את דופנות כלי התגובה. ניתן אפילו לדחוס אותם לצורת אבקה ולהחדירם בהתאמה לחומרי-המוצא של התגובה.

“מאחר וחומרים אלו סופגים באופן בררני רק את הגז מימן פלואורי, אדי מים, חמצן וגזים אחרים הנדרשים לתגובה לא נפגעים ופעילותם הרגילה לא ניזוקה,” מסביר החוקר הראשי.

החוקרים הדגימו את יעילות גישתם באמצעות ההכנה של על-מוליך נפוץ מהסוג “תחמוצת איטריום-בריום-נחושת” (yttrium-barium-copper-oxide, YBCO). בניסויים אלו, הגבישים “צמחו” בקצב מהיר יותר בנוכחות סופח מימן פלואורי מסוג תחמוצת באריום, וזאת בהשוואה לשיטות רגילות של הכנת גבישים.

השיטה גם משמרת את אחידות סביבת צמיחת הגבישים כך שתכונות העל-מוליכות לא משתנות לאורך השכבה. תגובה ייחודית זו משמשת רק כדוגמא אחת, והפטנט שהתבקש על אמצאה זו מתייחס גם לשינויים אפשריים רבים ולחומרים דומים.

הידיעה ממכון המחקר