האם גרמאניום מהיר מגראפן?

חוקרים מאוניברסיטת המדינה של אוהיו (קולומבוס) פיתחו שיטה חדשה לריבוץ גרמניום על גביי שכבות חד-אטומיות ביעילות הטובה פי עשרה בהשוואה לסיליקון, תוך יצירת חלופה פשוטה יותר לייצור חומרים מהדור הבא, כדוגמת גראפן.

הצלחנו לייצר מקבילה של גראפן מהחומר גרמניום – חד-שכבות שבקצותיהן נמצאים אטומי מימן, בדיוק כמו החומר גראפן, רק שהשיטה שלנו הרבה יותר פשוטה,” אמר פרופסור Joshua Goldberger מאוניברסיטת המדינה של אוהיו (קולומבוס). “בתהליך, הצלחנו גם להפוך את החומר כך שיכלול פער פסים ישיר (direct bandgap) מה שמאפשר לו להיות מתאים עבור יישומים אופטיים.”

החוקר גולדברגר טוען כי הוא הראשון שהצליח לסנתז סריגים גבישיים נקיים בקנה-מידה מילימטרי של גרמאניום שבקצותיו נמצאים אטומי מימן (GeH) מתוך הפרוק של המלח הסידני שלו (CaGe2), לקבלת תוצר המקביל לחומר גראפן שבקצותיו אטומי מימן (CH). החוקר מוסיף ומסביר כי החומר החדש ששמו “גרמאנאן” (“germanane”) מקביל לגרסה החד-שכבתית של הגראפן, תצורה המכונה בשם “גראפאן” (“graphane”).
מעבר לעובדה כי החומר החדש מבוסס על אטומי גרמאניום (germanium) במקום על אטומי פחמן, כבמקרה של גראפן, ההבדל הגדול ביותר בין שני החומרים הוא בכך שאת הגרמאנאן יהיה קל יותר להכין באמצעות ציוד ייצור הרווח בתעשיית המוליכים למחצה מאשר את הגראפן.

החוקרים חוזים כי החומר החדש יהיה שימושי בייצור של התקנים אופטואלקטרוניים וחיישנים מתקדמים מהדור הבא, וזאת לאור העובדה כי חישובים חוזים כי ניידות האלקטרונים שבתוכו תהיה טובה יותר פי חמישה מגרמניום עצמו (וגבוהה פי עשרה מאשר בסיליקון) וכי לחומר יהיה פער פסים של 1.53 אלקטרון-וולט (מעט גבוה יותר מבחומר גאליום-ארסניד).

חוקרים בתחום הגראפן כבר הוכיחו כי התכונות האלקטרוניות של חד-שכבות המורכבות ממוליכים למחצה טובות יותר מאשר של החומר המקורי, ממצא שהוביל לשפע מאמצים מדעיים להכנת חד-שכבות ממבנים גבישיים נוספים. יכולת העברת המטען החשמלי הגבוהה יותר מושגת ע”י הטופולוגיה השטוחה מאוד, אולם ע”י קישור של ליגנדים (קבוצות כימיות) שונים לחד-שכבות אלו ניתן יהיה להשתמש בחומרים דקיקים ביותר אלו גם ליישומים רגישים יותר, כגון חישה מתקדמת, יעילה ומהירה יותר.

גרמניום היה החומר הראשון ששימש להכנת טרנזיסטורים עוד בשנת 1947 כאשר מעבדות בל המציאו אותם. מאז אותה תגלית, הפך דווקא החומר סיליקון כחומר הנבחר בתעשיית המוליכים למחצה, למרות שהגרמניום זוכה לתחייה מחודשת בשנים האחרונות במגוון יישומים, החל במשדרים ספרתיים מהירי-תגובה וכלה בגלאים אופטיים אנאלוגיים.

חוקרים אחרים ניסו אף הם לייצר גרמניום בתצורה של חד-שכבות דקיקות בעובי חד-אטומי, אולם הם נתקלו באותן הבעיות שהתעוררו בתחום הייצור של חד-שכבות של גראפן – כלומר, חוסר היכולת לקבל סריגים גבישיים מושלמים לרוחב שטח המצע כולו. לשם פתרון בעיה זו, החוקר גולדברג החדיר אטומי סידן בין חד-השכבות הנפרדות של הגרמאנאן ובכך הוא איפשר ייצורם בקנה מידה רחב. בשלב הבא הוא הרחיק החוצה את אטומי הסידן ו”סתם” את החורים שנוצרו בגביש בעקבות כך ע”י החדרת אטומי מימן, וזאת לשם מניעת התחמצנות החומר. בזכות תהליך זה הצליחו החוקרים “לקלף” את חד-השכבות של הגרמאנאן ולהשתמש בהן לעריכת ניסויים.

בשלב הבא, החוקרים מתכוונים לייצר התקנים מוחשיים המורכבים מהחומר החדש וכן לערוך ניסויים עם מולקולות אחרות שתוכנסנה לקצות השכבות ואשר תשמשנה כחומרי אילוח תוך אפיון התכונות האלקטרוניות והאופטיות שלהם. בשלב הנוכחי, החומר יציב עד לטמפרטורה של 75 מעלות צלזיוס, וגם את הערך הזה מקווים החוקרים לשפר כך שהחומר החדש יוכל לשמש במגוון יישומים.

הידיעה המקורית אודות המחקר