تقنية جديدة لإنشاء جهاز إلكتروني دقيق موفر للطاقة
يساعد في تطوير أشباه موصلات جديدة منخفضة الطاقة أو أجهزة كمومية
مع ازدياد قوة الدوائر المتكاملة التي تشغل أجهزتنا الإلكترونية، فإنها تصبح أصغر أيضًا.
وقد تسارع هذا الاتجاه في الإلكترونيات الدقيقة في السنوات الأخيرة فقط، حيث يحاول العلماء تركيب المزيد من المكونات شبه الموصلة على الشريحة.
تواجه الإلكترونيات الدقيقة تحديًا رئيسيًا بسبب صغر حجمها. لتجنب ارتفاع درجة الحرارة، تحتاج الإلكترونيات الدقيقة إلى استهلاك جزء صغير فقط من الكهرباء التي تستهلكها الإلكترونيات التقليدية بينما لا تزال تعمل بأعلى أداء.
حقق الباحثون في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية اختراقًا قد يسمح لنوع جديد من المواد الإلكترونية الدقيقة بالقيام بذلك.
في دراسة جديدة نُشرت في مجلة Advanced Materials ، اقترح فريق أرجون نوعًا جديدًا من تقنية “بوابة الأكسدة والاختزال” التي يمكنها التحكم في حركة الإلكترونات داخل وخارج المواد شبه الموصلة .
يشير مصطلح “الأكسدة والاختزال” إلى تفاعل كيميائي يؤدي إلى نقل الإلكترونات.
تعتمد الأجهزة الإلكترونية الدقيقة عادةً على “تأثير المجال” الكهربائي للتحكم في تدفق الإلكترونات للعمل.
في التجربة، صمم العلماء جهازًا يمكنه تنظيم تدفق الإلكترونات من طرف إلى آخر عن طريق تطبيق جهد كهربي – وهو في الأساس نوع من الضغط الذي يدفع الكهرباء – عبر مادة تعمل كنوع من بوابة الإلكترون.
عندما يصل الجهد إلى عتبة معينة، ما يقرب من نصف فولت، ستبدأ المادة في حقن الإلكترونات عبر البوابة من مادة الأكسدة والاختزال المصدر إلى مادة القناة.
يعمل مثل الترانزستور
وباستخدام الجهد الكهربي لتعديل تدفق الإلكترونات، يمكن للجهاز شبه الموصل أن يعمل مثل الترانزستور، حيث يقوم بالتبديل بين الحالات الأكثر توصيلًا والحالات الأكثر عزلًا.
يقول عالم المواد في أرجون، ديلون فونغ، ومؤلف الدراسة: “تسمح لنا استراتيجية بوابة الأكسدة والاختزال الجديدة بتعديل تدفق الإلكترون بكمية هائلة حتى عند الفولتية المنخفضة، مما يوفر كفاءة أكبر بكثير في استخدام الطاقة”، “وهذا أيضًا يمنع تلف النظام، ونحن نرى أنه يمكن إعادة تدوير هذه المواد بشكل متكرر دون أي تدهور تقريبًا في الأداء.”
وقال عالم المواد في أرجون وي تشين، أحد المؤلفين المشاركين في الدراسة: “إن التحكم في الخصائص الإلكترونية للمادة له أيضًا مزايا كبيرة للعلماء الذين يبحثون عن خصائص ناشئة تتجاوز الأجهزة التقليدية”.
صنع دوائر تعمل بشكل مشابه للدماغ البشري
وأضاف ” نظام الفولت الفرعي، حيث تعمل هذه المادة، يحظى باهتمام كبير للباحثين الذين يتطلعون إلى صنع دوائر تعمل بشكل مشابه للدماغ البشري، والذي يعمل أيضًا بكفاءة كبيرة في استخدام الطاقة”.
وقال هوا تشو، عالم فيزياء أرجون، وهو مؤلف مشارك آخر للدراسة، إن ظاهرة بوابة الأكسدة والاختزال يمكن أن تكون مفيدة أيضًا في إنشاء مواد كمومية جديدة يمكن التلاعب بأطوارها عند طاقة منخفضة، علاوة على ذلك، قد تمتد تقنية بوابة الأكسدة والاختزال عبر أشباه الموصلات الوظيفية متعددة الاستخدامات والمواد الكمومية منخفضة الأبعاد المكونة من عناصر مستدامة.
