הגשמתו של חלום עתיק-יומין: תחמוצת אבץ כמוליך-למחצה

חוקרים מגרמניה הוכיחו כי אטומי מימן הם המפריעים לתהליך הרצוי. ריכוז מבוקר של אטומי המימן במהלך ייצור תחמוצת האבץ הינו, על-כן, המפתח לשימוש השגרתי של חומר זה כמוליך-למחצה

תחמוצת אבץ הינה “מלכת” התעשייה – אלפי טונות שלה מיוצרות בכל רחבי העולם מדי שנה לטובת מגוון רחב של יישומים. תחמוצת אבץ משמשת כמעט בכל מוצר החל מתוספי מזון וכלה בחומרי שיזוף לגוף. היא אפילו מוליך-למחצה משמעותי, למרות שפריצת הדרך בתחום זה, שכה חיכו לה, עדיין לא הופיעה. הַסְמָמָה (doping) מושלמת – מאפיין חיוני בייצורם של התקנים מוליכים-למחצה – עדיין בלתי-אפשרית.

צוות של מדעני כימיה מאוניברסיטת Ruhr אשר בגרמניה, בראשותו של פרופסור Christof Wöll, קרובה הרבה יותר לגילוי הסיבה. הצוות הצליח להוכיח, באופן ניסיוני, כי אטומי מימן הם המפריעים לתהליך הרצוי. ריכוז מבוקר של אטומי המימן במהלך ייצור תחמוצת האבץ הינו, על-כן, המפתח לשימוש השגרתי של חומר זה כמוליך-למחצה.

הסממה (או אילוח), כלומר ההחדרה המבוקרת של אטומים זרים מוגדרים לתוככי הסריג הגבישי של המוצק, הינה הגורם החשוב ביותר במהלך הייצור של התקניי מוליכים-למחצה. אטומים זרים אלו יכולים למסור אלקטרון למוצק (n-doping), או לקלוט אלקטרון ממנו, כך שנוצר בו “חור” (p-doping). אלקטרונים וחורים ניידים אלו גורמים לקבלת מוליכות חשמלית בחומרים שלולא-כן היו מבודדים, כלומר, תהליך ההסממה מאתחל את אופיו הייחודי של המוליך-למחצה. תהליך רגיל זה בייצור של מוליכים-למחצה שכיחים כגון צורן (סיליקון) או גרמניום (germanium) היה בעייתי ביותר עבור תחמוצת אבץ, עד עתה. בייחוד, היה קשה לקבל מצב של p-doping, מה שלא אפשר לייצר התקניי מוליכים-למחצה כגון טרנזיסטורים או דיודות פולטות אור (LEDs). התקנים כאלו דורשים מעבר-pn, כלומר, הצטלבות בין האזורים המוסממים-n לאלו המוסממים-p. בשל כך, בתחום המוליכים-למחצה, תחמוצת אבץ משמשת כיום רק במספר מצומצם של יישומים מיוחדים.

במהלך השנים האחרונות התקבלו שיפורים משמעותיים בייצור של תחמוצת אבץ. רק לאחרונה הוצגה דיודה פולטת אור כחולה המורכבת מתחמוצת אבץ. אולם, עדיין נותרו בעיות רבות מספור בכל הנוגע לתהליך ההסממה עצמו. החוקרים הגרמניים הצליחו לזהות מכשלה משמעותית בייצור של תחמוצת אבץ כמוליכה-למחצה. במהלך הניסויים, שלמעשה נערכו בעקבות העניין של החוקרים בתכונותיה הקטליטיות דווקא של התחמוצת, הם הצליחו להראות כי אטומי מימן תמיד מולידים הסממה מסוג n. הם יכלו לסמם באופן הפיך את תחמוצת האבץ באטומי מימן ואז להרחיק אותם באמצעות חימום.

המדענים הצליחו בכך לאשש תצפיות תיאורטיות שנערכו עוד בשנת 2000. הם השתמשו בשיטה מיוחדת למדידות במגוון טמפרטורות בכדי לוודא את ריכוזם של נשאי-המטען המתאימים. ריכוז מעשי גבוה של נשאי-מטען אלו חיוני לשם קבלת התכונות החשמליות הרצויות בהתקנים המוגמרים. כמעט ובלתי-אפשרי להימנע מנוכחותם של זיהומיי אטומי מימן במהלך תהליך הייצור, כך שנמנעת הקבלה של הסממה מסוג p הרצויה. האלקטרונים המשוחררים מאטומי המימן לתחמוצת האבץ ממלאים מיידית את החורים שנבעו מהסממת-p. רמת ניקיון גבוהה, בעיקר סביבה נטולת-מימן, הינה על-כן גורם מכריע בייצור תחמוצת אבץ כמוליך-למחצה.

בעקבות מחקרם זה הצליחו המדענים גם לפתור מחלוקת מדעית: עד היום הניחו חוקרים כי בעיות הסממה במוליכים למחצה נבעו מפגמים מבניים בסריג הגבישי של תחמוצת האבץ, אם בשל תוספת של אטומי אבץ ואם בשל פגמים בסידור אטומי החמצן. הממצאים של מחקר זה יהוו בסיס לייצורם העתידי של מעגלים חשמליים מבוססי תחמוצת אבץ יעילים יותר.

הידיעה המקורית מהאוניברסיטה