בסֵדֶר גמור

בעוד ברוב החומרים נוצרים פגמים בקלות וסילוקם הוא זה אשר מצריך מאמץ רב, ההפך הוא הנכון בפרובסקיטים האלידיים

קל הרבה יותר “לְבַלְגֵּן” מאשר להשיב את הסדר על כנו, אך מסתבר שגם לכלל זה יש יוצאים מן הכלל. במחקר שהתפרסם בכתב-העת המדעי Materials Horizons, הראו מדעני מכון ויצמן למדע כי בחומרים המכונים פרובסקיטים האלידיים, דווקא קל יותר להשיב את הסדר על כנו מאשר לשבשו. ממצא זה עשוי להסביר את התכונות הייחודיות של חומרים אלה הנחשבים להבטחה הגדולה של תחום האנרגיה הסולארית, ולעזור לפתח גישה חדשה לשליטה בתכונות חומרים אלה ואחרים.

פרובסקיטים האלידיים הפכו ל”להיט” בחקר אנרגיה סולארית מאז שהתגלה לפני כעשור כי הם יעילים בצורה יוצאת דופן בהמרת אנרגיית השמש לחשמל. עם זאת, תכונות רבות של מוליכים למחצה אלה, היכולים לשלב בתוכם רכיבים אורגניים ואי-אורגניים, נותרו בגדר תעלומה. כך למשל לא ברור כיצד הם מכילים פגם אחד על כל טריליון אטומים – פי מיליון פחות מאשר מוליכים למחצה “רגילים” (פגמים אלה עשויים להיות נוכחות של אטומים זרים או שיבושים במבנה האטומי של החומר עצמו). כדי להגיע לריכוז פגמים כה נמוך במוליכים למחצה המשמשים כיום בתעשיית האלקטרוניקה, נדרשת השקעה עצומה של אנרגיה, זמן ויצירתיות. לעומת זאת, פרובסקיטים האלידיים נקיים אפשר לייצר בתוך שבריר שנייה באמצעות ערבוב תמיסות פשוטות של מלחים כימיים בטמפרטורת החדר.

מימין: פרופ’ איגור לובומירסקי ופרופ’ דוד כאהן. ריפוי עצמי

“היה נראה לי מוזר שחומרים נקיים כל כך יכולים להיווצר בתנאים נוחים כל כך”, אומר פרופ’ דוד כאהן מהמחלקה לחומרים ופני שטח, שהוביל את המחקר עם ד”ר יבגני רקיטה, שהיה בשעתו תלמיד המחקר שלו, ועם עמיתו למחלקה פרופ’ איגור לובומירסקי. “זה נראה כאילו החומר הזה נוצר ללא פגמים, או שהוא ‘מגרש’ את הפגמים תוך כדי היווצרותו”.

כדי לפתור את חידת הפגמים, בחנו המדענים תוצאות ניסויים קודמים שנערכו במעבדתו של פרופ’ כאהן ובמעבדות אחרות בעולם – ניסויים אשר בחנו את היווצרותם של פרובסקיטים האלידיים, את הופעת הפגמים בחומרים אלה ואת השפעת הפגמים על זרם האלקטרונים. את הנתונים ניתחו המדענים בעזרת עקרונות בסיסיים של תרמודינמיקה הנלמדים בקורסי מבוא לסטודנטים.

הניתוח הוביל למסקנה מפתיעה: בעוד ברוב החומרים, נוצרים פגמים בקלות, וסילוקם הוא זה אשר מצריך מאמץ רב, ההפך הוא הנכון בפרובסקיטים האלידיים. כדי לשמר את הפגמים בחומרים אלה, יש לעוות את הקשרים הגמישים בין האטומים המחזיקים את החומר – ולכן פעולה זו מצריכה יותר אנרגיה מאשר השבת הסדר על כנו. “זה אולי נוגד את האינטואיציה, אך ליצור גרסה מבולגנת של חומרים אלה מצריך יותר אנרגיה מאשר ליצור גרסה נקייה ומסודרת”, אומר פרופ’ כאהן.

בגלל פער אנרגטי זה, פגמים אשר נוצרים בזמן היווצרות פרובסקיטים האלידיים פשוט נעלמים ומאפשרים לגביש להיווצר. כלומר, תהליך ההתגבשות מלווה בריפוי עצמי מתמשך. “הפגמים נעלמים כמעט באופן מיידי, מהר מכדי שאפשר יהיה לגלות אותם, ולכן החומר נראה לנו כמעט מושלם מבחינת הסדר הפנימי שלו”, אומר פרופ’ לובומירסקי.

תובנה זו פותחת את הדלת בפני חיפוש בלתי-שגרתי אחר חומרים בעלי שיעור פגמים נמוך ויכולת ריפוי עצמי – תכונות נחשקות במיוחד בתעשייה האלקטרואופטית, אשר יכולות להעריך את חיי המדף של חומרים והתקנים שונים ולהפוך את פיתוחם לכדאי יותר ובר קיימא. הבנת התנאים המאפשרים את שיעור הפגמים הנמוך בפרובסקיטים האלידיים עשויה גם להוביל לדרכים להגיע לשיעור פגמים אופטימלי – גבוה או נמוך – בחומרים אחרים. כך למשל בעוד שיעור פגמים נמוך עשוי לאפשר זרימה מיטבית של אלקטרונים במוליך למחצה, ריכוז פגמים גבוה יותר עשוי להיות מועיל בחומרים אחרים – למשל, על מנת לחזק מתכות או להבטיח עמידות לעוצמת זרם גבוהה במוליכי-על.

למאמר המדעי