"حسنا ، هل جربت؟ الآن انظر التعليمات ". تصف هذه النكتة إحجام بعض الأشخاص عن معرفة ما يجب القيام به أولاً وكيف يتم ذلك وفقًا للتعليمات ، وعندها فقط يواصل العمل / التجميع / التثبيت. في عالم الأبحاث العلمية المعقدة والاكتشافات والبحوث ، يحدث هذا أيضًا غالبًا ، ولكن ليس بإرادة العلماء. بعض العمليات ، التي تبدو نتائجها مفهومة وواضحه للجميع ، لا تزال تدرس بشكل سيء ، مما يجعل من الصعب تحسينها. ومما يلفت النظر في مثل هذه العمليات هو تشكيل مركبات ديالكالكوجين المعدنية الانتقالية. ومع ذلك ، لن يتم إخفاء أي شيء عن نظرة العلماء الفضولية. لذلك ، تمكن العلماء توشياكي كاتو وتوشرو كانيكو من مراقبة تخليق ديكالوجينيدات المعادن الانتقالية ، والتي هي رقائق أشباه الموصلات بسماكة عدة ذرات. ما هو غير مألوف للغاية حول مركبات ديكالوجينيد المعادن الانتقالية ، وكيف اكتشف العلماء أسرارهم وماذا يعني هذا بالنسبة لعالم أشباه الموصلات؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
إن مركبات ديكالالكوجينيدات المعدنية الانتقالية (المشار إليها فيما يلي بـ PDM) عبارة عن أشباه الموصلات أحادي الطبقة الرقيقة التي تتكون من معدن انتقالي وكالكوجين. توجد طبقة واحدة من ذرات المعدن بين طبقتين من ذرات chalcogen ، والتي يمكن التعبير عنها بالصيغة MX
2 (M - metal و X - chalcogen).
تشمل الجينات المكوّنة من العناصر المألوفة لدينا: الأكسجين والكبريت والسيلينيوم والتيلوريوم والبولونيوم ودودة الكبد المصطنعة (Lv).
مزيج من هذه العناصر (المعدن و chalcogen) في شكل PDM في هيكلها هو مادة ثنائية الأبعاد ، بسبب سمكها الصغير بشكل لا يصدق ، مما يؤدي إلى ظهور خصائص وخصائص غير عادية. في كثير من الأحيان ، تتم مقارنة PDM مع الجرافين ، وهو هيكل ثنائي الأبعاد آخر تختلف خصائصه اختلافًا كبيرًا عن خصائص قاعدته ثلاثية الأبعاد (الكربون). هناك عدد من الخصائص المهمة لـ PDM تشمل:
- MoS 2 و WS 2 و MoSe 2 و WSe 2 و MoTe 2 هي فجوة مباشرة ، أي في نفوسهم ، لا يترافق انتقال الإلكترون من شريط التوصيل إلى نطاق التكافؤ بفقدان الزخم ، مما يجعل هذه المركبات ممتازة لإنشاء الترانزستورات في مجال الالكترونيات أو بواعث وأجهزة الاستشعار في البصريات ؛
- لا يوجد لدى PDM مركز انعكاس * ، مما يسمح لنا بتحقيق درجة جديدة من شركات الشحن التي تتقاضاها من الدولارات
- التفاعل القوي بين مدار الدوران في أحادي الطبقة PDM يؤدي إلى تقسيم مدار الدوران لمئات من meV في نطاق التكافؤ والعديد من meV في شريط التوصيل ، والذي يسمح لك بضبط دوران الإلكترون عن طريق ضبط طاقة فوتون الليزر ؛
- البعدان لـ MoS 2 والاقتران العالي المدار لهذا المركب لهما إمكانات كبيرة لعلم الإلكترونيات.
مركز الانعكاس * هو النقطة الموجودة داخل الشكل (البلورة في هذه الحالة) حيث يلتقي أي خط مرسوم من خلاله على جانبيها وعلى مسافات متساوية بالنقاط المقابلة في الشكل.
وهذا ليس سوى جزء صغير من الميزات الكامنة في الحركة الديمقراطية الشعبية. ولتوسيع هذه المجموعة من القدرات لا يمكن تحقيقه إلا بمزيد من التفاصيل من خلال دراسة عملية تشكيل الحركة الديمقراطية الشعبية في ظروف مختلفة. في عملنا اليوم ، يصف العلماء طريقة جديدة لمراقبة ديناميات الانتشار والنوى أثناء نمو ثاني كبريتيد التنغستن (WS
2 ). لقد تمكنوا أيضًا من تحديد طول الانتشار (L
d )
للسلائف بدقة.
السلائف * - مادة متورطة في تفاعل تكوين المادة النهائية.
وفقا للدراسة ، بلغت قيمة L
d ~ 750 ميكرون ، وهو ما يقرب من أمرين من حيث الحجم أعلى من أشباه الموصلات التقليدية مثل Si
12 و GaAs
13 و SiC
14 . يعزو العلماء مثل هذا المؤشر الكبير إلى قطرات السلائف التي لوحظت أثناء تكوين WS
2 .
نتائج البحوث
والآن سنبدأ في دراسة ما تمكن العلماء من اكتشافه خلال ملاحظاتهم.
بادئ ذي بدء ، يلاحظ العلماء أنه لدراسة ديناميات نمو البلورات ثنائية الأبعاد ، من المفيد جدًا التحكم في مناطق النواة (المرحلة الأولى من انتقال المرحلة). في عملهم ، استخدم الباحثون الادراج النقطية للذهب (Au) ، والتي مكنت من التحكم بدقة في عملية النواة WS
2 وكثافة مناطق النواة (
1a -
1c ).
الصورة رقم 1تُظهر الصورة
1 د نتائج تخليق WS
2 على ركيزة تحتوي على مجموعة من نقاط Au ، حيث كانت المسافة بين مراكز نقاط Au (L
Au ) 20 ميكرون. يوضح نمو بلورات WS
2 المثلثة في المناطق التي تحتوي على Au وجود تحكم في مناطق النواة وكثافتها.
علاوة على ذلك ، تم تحديد طول الانتشار (L
d ) ، والذي يعد معلمة حركية مهمة لنمو البلورة (
1c ) ، بشكل تجريبي. بالنظر إلى أن نمو WS
2 لم يلاحظ إلا في المناطق التي توجد بها Au ، فإن الركيزة SiO
2 في الأماكن الواقعة بين نقاط Au ما زالت عارية (
1d ).
سمحت هذه الملاحظة للعلماء باقتراح آليتين للنواة. إذا تم اجتذاب نقاط Au بأكملها تقريبًا إلى جميع مواد السلائف التي تم تسليمها إلى الركيزة من مرحلة البخار واستخدمت لنمو WS
2 ، فيمكن تحديد L
d من خلال الصيغة التالية:
L
d ≈ √2L
Au / 2
ومن المثير للاهتمام ، لوحظ تشكيل بلورات WS
2 الفردية فقط في مناطق الاتحاد الافريقي حتى عندما كان L
Au ≤ 200 ميكرون (
1e و
1 f ). وهذا يشير إلى أن الحد الأقصى لمؤشر L
d لن يتجاوز 140 ميكرون. هذه الملاحظة مهمة أيضًا في أن L
d من مواد أشباه الموصلات التقليدية (Si
12 ، GaAs
13 و SiC
14 ) تقع في نطاق من 0.2 إلى 30 ميكرون.
من أجل تحديد أكثر دقة لـ L
d ومراقبة الانتشار الممتد للسلائف ، تم إنشاء حواجز الانتشار حول نقاط Au (
2a ).
الصورة رقم 2توقف نمو البلورة في المرحلة الأولية ، عندما زاد طول كل جانب من جوانب البلورة المثلثة WS
2 (L
WS 2 ) مع وقت النمو. ترتبط قيمة L
WS 2 ارتباطًا كبيرًا بـ (t
eff t)
0.5 في هذا النموذج ، حيث تمثل Γ
eff تدفقات السلائف الفعالة إلى حافة نمو WS
2 ، و t هو وقت النمو. علاوة على ذلك ، كانت Γ
eff متناسبة مع L
0 L
d 2 ، حيث Γ
0 هي تدفق سلائف طور البخار إلى الركيزة لكل وحدة مساحة. تعتمد Γ
eff على طول جدار حاجز الانتشار (L
BW ) ؛ وبالتالي ، سيتفاوت L
WS 2 اعتمادًا على L
BW (
2a و
2b ).
بناءً على هذا النموذج ، اقترح العلماء منطقة ينتقل فيها نمو L
WS 2 من الدالة التربيعية L
BW إلى حالة التشبع (
2b ). وبالتالي ، فإن L
BW تساوي 2L
d عند نقطة الانعكاس على الرسم البياني
2b .
بالنسبة للتجربة الفعلية ، وضع العلماء حواجز انتشار مربعة من مختلف الأحجام على الركيزة ، تمحور كل منها حول نقطة Au (
2c ). كما هو متوقع ، كان هناك اتصال واضح بين L
WS 2 و L
BW (
2d -
2g ).
عندما كانت L
BW صغيرة ، زادت L
WS 2 مع L
BW ووصلت إلى نقطة التشبع بعد الوصول إلى العتبة الحرجة L
BW . يشير هذا إلى أن الحجم البلوري لـ WS
2 كان يتحكم فيه بالانتشار ، وأنه يمكن تحديد L
d بواسطة العتبة L
BW . وقد وجد أيضًا أن التغير في L
d يعتمد على موضع النواة على الركيزة (P1 ، P2 ، P3 ، P4) في المنطقة حيث انخفضت درجة الحرارة من ~ 721 درجة مئوية إلى ~ 654 درجة مئوية ، وتم رصد الحد الأقصى لقيمة L
d ~ 750 μm في 721 درجة مئوية (P1) و 698 درجة مئوية (P2).
بالنسبة لأشباه الموصلات التقليدية ، فإن نموذج نقل الشحنة السائد هو التنقل ، عندما تقفز السلائف بين أقرب المناطق المجاورة (NN من
أقرب جار ). يحدث الانتشار على عدة ميكرومتر. أدت محاولات تفسير الانتشار طويل المدى لسلائف WS
2 باستخدام هذا النموذج إلى أن المسافة المقطوعة في قفزة واحدة تزيد عن 100 مرة عن المسافة بين مناطق NN. في وقت سابق ، وفقًا للعلماء ، لوحظت بالفعل قفزات مماثلة ، ولكنها ليست كبيرة جدًا ، أي أثناء انتشار W على سطح الركيزة ، كانت أطول القفزات أطول بعدة مرات من المسافة بين مناطق NN.
بالنظر إلى أن القفزات الطويلة كما حدث في WS
2 لم يتم ملاحظتها من قبل في أي مكان ، يمكننا أن نفترض أن نشر السلائف WS
2 يتم وفقًا لآلية مختلفة تمامًا.
الصورة رقم 3لفهم ديناميات تكوين WS
2 بشكل أفضل ، أجريت تجارب تم فيها تغيير شكل وقطر شوائب الذهب (D
Au ) (
3a ). وقد لوحظ وجود علاقة قوية بين هيكل نقطة النواة واحتمال نواة WS
2 (
3a و
3 b ).
ولوحظ أيضًا أن تبلور الطبقة الأحادية WS2 لا يعتمد بأي حال على شكل شوائب الذهب ؛ بلورات WS
2 المفردة نمت بشكل جيد على قدم المساواة في المناطق المستديرة ، المثلثة ، والمربعة ، والقضيبية.
ثم ركز العلماء على إطلاق النار بدقة على النشر الذهبي للذهب وتغيير قطرهم ، كما تم رصد تأثير درجات الحرارة المختلفة. كشفت التجربة أنه في D
Au ~ 1 ميكرون ، كان تركيز البلورة المفردة WS
2 أعلى منه في D
Au ≈ 4 μm ، أي كان التركيز أعلى مع نمو على شوائب أصغر من الذهب (
3s ).
سمح لنا تغيير درجة حرارة النمو بتغيير قيمة L
WS 2 . أظهرت حبكة الاعتماد على تركيز البلورة المنفردة على L
WS 2 / D
Au ارتباطًا واضحًا: زاد تركيز بلورات WS
2 المفردة مع LWS
2 / D
Au ووصل التشبع عند (L
WS 2 / D
Au )> 6 (
ثلاثي الأبعاد ).
تلخيص بيانات الرصد على النحو التالي:
طول نشر السلائف كان طويلاً جداً (~ 750 ميكرون) ؛
بلورات مفردة يمكن أن تنمو على الذهب المتخلل (الاتحاد الافريقي) من مختلف الأشكال ؛
يوجد ارتباط واضح بين تركيز البلورة المفردة و L
WS 2 / D
Au .
بناءً على البيانات التي تم الحصول عليها من الملاحظات ، اقترح العلماء نموذجًا لنشر السلائف (
3e ). نظرًا لأن شكل ادراج الذهب لا يرتبط بأي حال بنمو WS
2 ، فيجب افتراض أن "البركة" المستديرة (في
البركة "
3e " من السلائف يمكن أن تتشكل حول الاتحاد الافريقي المتخلل حتى قبل بدء النمو ثنائي الأبعاد. سيكون قطر البركة السلائف أصغر من قطر الادراج الذهبية (D
Au ). وبالتالي ، فإن السلائف سوف تنتشر على الركيزة في شكل قطرات ، وليس في شكل جزيئات فردية ، وهو ما يفسر الانتشار الطويل الإضافي للسلائف على الركيزة SiO
2 .
بالإضافة إلى ذلك ، يحدث التفاعل بين القطرات والركيزة من خلال الامتزاز الفيزيائي ، وليس الكيميائي. وهذا يختلف تمامًا عن الانتشار الذري والجزيئي ، حيث تكون قفزة NN هي المهيمنة بسبب التفاعلات الكيميائية القوية مع سطح الركيزة. تتحرك قطرات كثيفة جسديًا بسهولة فوق سطح SiO
2 لفترة طويلة نسبيًا ، مما يضمن الانتشار الطويل للغاية.
حدد العلماء ثبات القطرات باستخدام معادلة Young-Laplace: ΔP = 2γ / r ، حيث ΔP هي الفرق بين ضغط الهبوط (P
in ) وضغط البخار (P
out ) في الواجهة ؛ tension هو التوتر السطحي للقطرة. r هو نصف قطر القطرة.
أصغر قيمة ΔP ، وأكثر استقرارا سيكون الانخفاض. هذا يعني أن المواد ذات النسبة المنخفضة أكثر ثباتًا ، خاصةً في نطاق المقياس النانوي (r <500 نانومتر). يمكن تقليل قيمة γ قطرات من المعادن المنصهرة عن طريق زيادة درجة الحرارة ، وتقليل حجم القطيرات وخلطها بالأكسجين. يمكن افتراض أن قطرات النانو التي تحتوي على WxSyOz في درجات حرارة عالية ستظهر توتراً منخفضًا للغاية على السطح ، مما يجعلها مرشحة للقطرات المسبقة. يلاحظ الباحثون أنه من أجل فهم ديناميات نمو WS
2 بشكل أفضل ، من الضروري دراسة مكونات قطرات السلائف بعناية.
يمكن تأكيد جميع الحسابات والنظريات والنتائج التجريبية بطريقة بسيطة للغاية ، ولكن في نفس الوقت معقدة ، من خلال الملاحظة المباشرة لمرحلة النواة.
الصورة رقم 4أثناء الملاحظة المباشرة (في الوقت الفعلي) ، لوحظت زيادة في LWS
2 ، مما يؤكد إمكانية مراقبة الوقت الحقيقي لنمو بلورة WS
2 (
4a -
4c ).
كشفت دراسة مفصلة للنواة عن تحول مثير للاهتمام (
4d -
4f ). في بداية النمو ، تشكلت الهياكل الحلقية (
4d و
4 g ) حول مركز النواة الطبيعي. لقد تحولوا إلى أشكال ثلاثية في مرحلة النمو (
4e ،
4f ،
4h و
4 i ). تتوافق هذه الملاحظات مع النموذج الموضح سابقًا (
3e ). لذلك ، يشير هذا إلى مجموعة من السلائف التي تشكلت مباشرة بعد النواة حول مركزها. وقد لوحظت تحولات مماثلة من برك من السلائف في WS
2 في العديد من المواقع nucleation (
4j ) ، والتي أثبتت موثوقية ديناميات النمو الناجمة عن قطرات (
3e و
4g -
4i ).
وقد وجد أن حوالي 41 ٪ من السلائف يتم تحويلها إلى WS
2 خلال مرحلة النمو.
الحقيقة الرئيسية التي تؤكد وجود العديد من آليات نمو PDMs في آن واحد هي تشكيل جزء من بلورات WS
2 حتى بدون تجمعات من السلائف.
علاوة على ذلك ، وبناءً على نموذج النمو المدروس ، قام العلماء بإجراء تعديلات دقيقة على D
Au و L
Au ودرجة حرارة النمو في تجربة اندماجية. خلقت هذه التعديلات المنهجية الظروف اللازمة للتوليف المتكامل لبلورات WS
2 المفردة ، والتي تم تحديدها من خلال التوازن بين احتمال النواة ونمو بلورة واحدة. في ظل ظروف النمو الأكثر ملاءمة ، نمت WS
2 المدمجة في منطقة 1.5 سم × 1.5 سم ، والتي تغطي الركيزة بأكملها (
5A ).
الصورة رقم 5أوضحت الصور التي تم الحصول عليها باستخدام المجهر الضوئي (
5b ) والمجهر الإلكتروني المسح (
5c ) أن بلورات WS
2 المثلثة نمت على نقاط Au نتيجة> 87٪. وأظهرت المجهر القوة الذرية أن سمك WS
2 كان حوالي 0.8 نانومتر (
5D ). أظهرت البلورة WS
2 المبينة على خريطة كثافة اللمعان الضوئي (
5e ) اللمعان اللامع مع ذروة انبعاث حادة عند 1.97 eV (
5f ).
احتوى أطياف رامان في WS
2 على ذروتين يفصل بينهما 61 سم
-1 (5
جم و 5
ساعات ). هذا يشير إلى أن WS
2 التي نمت بهذه الطريقة هي بنية أحادية الطبقة أحادية الطبقة.
تم إجراء تخطيط لكثافة PL على مساحة كبيرة بين A و B (
5a ). تم الكشف عن تلألؤ ضوئي موحد على كامل عرض (1.5 سم) من الركيزة (
5i ).
أكدت كل هذه الملاحظات أنه يمكن زراعة أكثر من 35000 بلورة WS
2 من خلال التحكم الدقيق في الموقع.
للحصول على معلومات أكثر تفصيلاً عن الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في
تقرير العلماء ومواد
إضافية إليه.
خاتمة
في هذا العمل ، تمكن العلماء من عرض نتائج أول رصد مباشر في العالم في الوقت الحقيقي لنمو بلورات WS
2 . هذا سمح لفهم أفضل بكثير لديناميات النمو أحادي الطبقة وضوح الشمس WS
2 . من خلال التحكم في النواة الناتجة عن نقاط الاتحاد الإفريقي وحواجز الانتشار ، تم تحقيق قيمة قياسية لطول الانتشار L
d ~ 750 μm ، وهو ما يقرب من أمرين من حيث الحجم أكبر من تلك الموجودة في المواد شبه الموصلة التقليدية.
من خلال تجميع كل نظرياتهم وحساباتهم وملاحظاتهم ، تمكن العلماء من تنفيذ تجربة اندماجية ، وكانت النتيجة هي النمو الناجح لأكثر من 35000 بلورة منفردة WS
2 على ركيزة بعرض 1.5 سم فقط.
يعتقد الباحثون أنفسهم أن نتائج عملهم ستكون بمثابة أساس للانتقال الناجح من دراسة المبادئ الأساسية لتشكيل مركبات ديكالالكوجينيات المعدنية الانتقالية إلى الخبرات العملية وتنفيذ المعرفة المكتسبة في هذه العملية.
من خلال الفهم الكامل لطبيعة وخصائص وخصائص مثل هذه المركبات غير العادية مثل ديكالالكوجينيدات الانتقالية ، سيتم إنشاء أنواع جديدة من أشباه الموصلات ، والتي سيكون سمكها فقط بضع ذرات ، ولن تكون الكفاءة أدنى من أشباه الموصلات الكلاسيكية. ستكون هذه التطورات مفيدة للغاية في جميع أنواع الإلكترونيات ، خاصةً تلك المرنة.
هل نعرف جميعًا عن مركبات ديكالالكوجينيات الانتقالية؟ بالطبع ، بعيدا عن كل شيء. ومع ذلك ، وبفضل هذا النوع من الأبحاث ، تتسع نطاق معرفتنا ، مما سيتيح لنا في المستقبل أن نغير تمامًا فهمنا ليس فقط لأشباه الموصلات ، ولكن أيضًا للعالم من حولنا.
شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا
2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟