الإلكترونيات الكربونية

الكترونيات كربونيه

Carbon-based electronics - Electronique à base de carbone

الإلكترونيات الكربونية

البنية المادية

نمذجة العناصر ومحاكاتها

ميزات ومثالب

تهدف الإلكترونيات الكربونية carbon-based electronics إلى تصنيع أنظمة إلكترونية متكاملة integrated باستعمال جزيئات مثل fullerenes أو الأنابيب الكربونية النانوية أو الغرافين كعناصر إلكترونية فعَّالة active للحصول على وظائف جديدة؛ على أن تُدمج هذه المواد الإلكترونية الجديدة في بيئة السليكون المعيارية لتوليد أنظمة هجينة Si/C.

البنية المادية

يُطلق اسم الغرافين على طبقة ذرية واحدة مسطحة من ذرات الكربون، المرصوفة في شبكة ثنائية البعد على هيئة سداسيات، والتي تُشكِّل حجر البناء الأساسي للمواد الغرافيتية ذات الأبعاد الأخرى (الشكل 1)؛ إذ يمكن طيها للحصول على كريّات بوكي buckyballs أو لفها للحصول على أنابيب نانوية (طولها بالمليمترات وقطرها أصغر من نانومتر) أو تكديسها للحصول على الغرافيت الثلاثي الأبعاد.

تكون ذرات الكربون في الغرافين مُهجَّنة من النوع sp². وهذا يعني أنها تحتوي على روابط من النوع في مستوي ذرات الكربون، ومن النوع تحت هذا المستوي وفوقه. وهكذا يمتلك الغرافين واحدةً من أقوى الروابط في الطبيعة، وله متانة شد كبيرة جداً. من ناحيةٍ أخرى، تؤدي المدارات p إلى لاتموضع الإلكترونات لعدم التمييز بين الروابط المتجاورة، ومن ثمّ تستطيع الانتقال بحرية تحت المستوي وفوقه بأقل قدرٍ من التبعثر؛ لذلك فإن الغرافيت ناقل جيد للكهرباء في المستوي (الشكل 2). تبدي بلورة الغرافين خواصَّ كهربائية غير عادية. فالغرافين الذاتي intrinsic نصف ناقل، فجوته الطاقية تساوي الصفر، وحوامل الشحنة فيه تسلك سلوك فرميونات ديراك عديمة الكتلة، وتخضع لمعادلة ديراك النسبوية، وليس لمعادلة شرودنغر اللانسبوية.

ترانزستور الأثر الحقلي ذو الأنبوب الكربوني النانوي (CNFET)     Carbon Nanotube Field-Effect Transistor

تشبه بنية CNFET بنية الترانزستور السليكوني التقليدي، حيث يحل أنبوب كربوني نانوي (أو أكثر) محل قناة Si، ويتحكم الجهد المُطبق على القناة في ناقلية القناة (CNT) بالطريقة نفسها التي تحصل في الترانزستور(FET) Field-Effect Transistor  التقليدي. يمكن تصنيع الترانزستورات CNFET وفق تشكيلات هندسية متعددة. يبين الشكل (3) ترانزستوراً تقليدياً من النوع CNFET .

تتضمن كل التشكيلات الهندسية أنبوباً نانوياً نصف ناقل ذاتياً يقوم بدور القناة، وتماسين معدنيين: المنبع S والمصرف D ومسرى البوابة G الذي يمكن أن يكون على الوجه الأمامي كما في الشكل التقليدي أو الخلفي في تشكيلات أخرى، وأكسيد السليكون (أو عازل له ثابت عزل كهربائي كبير) لعزل البوابة عن القناة CNT. إن عمل كل العناصر CNFET متشابه؛ فالبوابة تتحكم في كمية الشحنة في القناة بوساطة حقلٍ كهربائيٍ شاقولي يُحرِّض الإلكترونات أو الثقوب في الأنبوب النانوي، في حين يوفِّر حقلٌ كهربائي أفقي - بين المنبع والمصرف - قوة جر الشحنات من تماس إلى آخر؛ مولداً تياراً كهربائياً.

يمكن تصنيف انتقال الشحنة في الترانزستور CNFET في أربعة أنظمة؛ وفقاً لطول الأنبوب النانوي مقارنةً بالمسار الحر الوسطي l_m  ونوع التماس بين الأنبوب النانوي ومعدني المصرف والمنبع، كما يبين الجدول (1).

كمثال، يشير الترانزستور القذفي (البالستي) ذو التماس الأومي إلى الحالة التي يكون فيها حقن الشحنة بين المنبع والمصرف في القناة CNT - والعكس بالعكس - أومياً؛ وتنتقل الشحنات عبر الأنبوب النانوي (القناة) دون أن تعاني من التبعثر. وبالمقابل، يشير الترانزستور الانتشاري ذو التماس «شوتكي» إلى العنصر الذي تخضع فيه الشحنات لحاجز شوتكي عند الوصلة بين الأنبوب النانوي والمنبع والمصرف، وتعاني الشحنات عند انتقالها في الأنبوب النانوي من التبعثر المتكرر. إذا كانت الإلكترونات هي حوامل الشحنة الأكثرية؛ فعندئذٍ يكون الترانزستور CNFET من النوع n، أما إذا كانت الثقوب هي حوامل الشحنة الأكثرية؛ فعندئذٍ يكون الترانزستور CNFET من النوع p. نظرياً، يُحدِّد الفرق بين تابعي عمل التماس المعدني والقناة CNT نوع التماس (أومي أو شوتكي).

ترانزستور الأثر الحقلي الغرافيني(gFET) graphene Field Effect Transistors  

يبين الشكل (4) بنية gFET، وهي تشبه بنية الترانزستور السليكوني التقليدي، بعد استبدال شريحة غرافين بقناة Si؛ ويتحكم الجهد المُطبق على القناة في ناقلية قناة الغرافين بالطريقة نفسها التي تحصل في الترانزستور FET التقليدية. عادةً، يُصنَّع gFET من شريط نانوي من الغرافين عرضه أصغر من 10 nm، وسمكه ذرة كربون واحدة ( 0.1 nm). وهو سهل التصنيع، إذ يمكن قطع الشريط والتوصيلات المحيطة من شريحة غرافين باستعمال الحفر lithography بحزمة إلكترونات، كتلك المستعملة في تصنيع العناصر السليكونية. وهو ترانزستور وحيد الإلكترون؛ بمعنى: هناك إلكترون واحد يمر عبره في لحظة زمنية معينة.

نمذجة العناصر ومحاكاتها

تُعرض في هذه الفقرة نظرية تحليلية لعمل ترانزستور CNFET بالستي ذي تماس أومي، وهي الحالة الأكثر أهميةً؛ لأن هذا النوع هو الأعلى كفاءةً مقارنةً بالأنواع الأخرى. يتحدد المسار الحر الوسطي للإلكترونات بتبعثر الفونونات الصوتية؛ مما يؤدي إلى l_m من مرتبة 0.5 um. ومن ثمَّ، فإن ترانزستور CNFET طول قناته 50 nm ملائم للعمل البالستي. يبين الشكل (5) ترانزستوراً CNFET من النوع n ببوابة أمامية G، وقطاعاته (عصاباته) الطاقية، E_cb حافة قطاع النقل، و E_vt حافة طاقة قطاع التكافؤ و E_g فاصل الطاقة.

يتحكم جهد البوابة V_G في ارتفاع حاجز الكمون الذي يَحُدّ من تدفق التيار بين المنبع S والمصرف D، في حين يتحكم جهدا المنبع والمصرف في مستوى E_F (الخط المنقط) «فرمي» للمنبع والمصرف على الترتيب. تُدرس فيما يأتي حالة ترانزستور من النوع n .

يمكن إيجاد العلاقة تيار-جهد I(V) لترانزستور CNFET بالستي من موضوعة بلانك الكمومية، والتي تربط طاقة الحالة i بترددها؛ ويمكن كتابتها لتعبر صراحةً عن تيار الجسيمات التي تشغل الحالة i (العلاقة 1) :

حيث f_i و تردد ودور الجسيمات في الحالة i ودورها. في حالة جملة تتكون من عدة حالات؛ يساوي التيار الكلي مجموع طاقة كل حالة واحتمال انشغال الحالة (العلاقة 2):

حيث (E,E_F) F تابع احتمال فرمي ديراك (العلاقة 3):

في الحالة الحديّة عندما تكون الحالات كثيفة جداً (المسافة الفاصلة بين الحالات المنفصلة مهملة)، يمكن تحويل المجموع إلى تكامل ريمان Riemann (العلاقة 4):

في الأنبوب CNT، تتحرك إلكترونات نحو اليمين (سرعتها موجبة) وإلكترونات أخرى تتحرك نحو اليسار (سرعتها سالبة)، ويساوي تيار المصرف المُحصِّل I_D، الفرق بينهما (العلاقة 5):

يتحكم جهد المنبع بطاقة «فرمي» للإلكترونات التي تتحرك نحو اليمين، في حين يتحكم جهد المصرف بطاقة «فرمي» للإلكترونات التي تتحرك نحو اليسار؛ وقد وُضع جهد المنبع صفراً كمرجعٍ للجهود. بتضمين مساهمات كل الحزم الطاقية الفرعية subbands في الترانزستور CNT نصف الناقل، يصبح تيار المصرف الكلي مساوياً لمجموع التيار المُحصِّل الناجم عن كل الحزم الفرعية (العلاقة 6):

حيث j دليل الحزمة الفرعية وI_j طاقة أسفل الحزمة الفرعية j و الكمون السطحي أو التماس. تُحل هذه المعادلة بالمُكاملة عددياً، ولكن يمكن الحصول على عبارة تحليلية مبسطة لتيار المصرف باستعمال عبارة تقريبية للكمون السطحي. في حالة جهود العمل الصغيرة التي تميز التقانات النانوية ( جهود التغذية نموذجياً أصغر من 1V)، يمكن إهمال تأثير الحزم الفرعية العليا والاقتصار على مساهمة الحزمة الفرعية الأولى، فتصبح المعادلة السابقة (العلاقة 7):

ينجم العامل 2 الإضافي عن انحطاط الحزمة الفرعية الأولى. وهكذا يُحصل على عبارة تحليلية لتيار المصرف (العلاقة 8):

حيث:

تُمثل R_q المقاومة الكمومية المعتادة . إن معادلة I_D السابقة هي المعادلة I(V) البالستية الأساسية لترانزستور CNFET ذي تماسات أومية بوصفه تابعاً لجهود أقطابه وخواص المادة ودرجة الحرارة. يمثل الحد الأول التيار الناجم عن الإلكترونات التي تتحرك نحو اليمين، في حين يمثل الحد الثاني التيار الناجم عن الإلكترونات التي تتحرك نحو اليسار. يُحدِّد التيار الناجم عن حوامل الشحنة الأمامية forward تيار الإشباع، والذي يُعرف أيضاً باسم التيار (ON(I_ON.

في حالة ترانزستور CNFET من النوع p؛ يجب تعديل المعادلة السابقة بعكس قطبية و V_D (العلاقة 9):

إذا أُخذ بالحسبان جهد القطاعات المسطحة V_FB ( الجهد الذي يجب تطبيقه على البوابة للحصول على مخطط حزم طاقة مسطحة على طول المقطع العرضي الشاقولي للعنصر، ويُعطى بالفرق بين تابعي عمل البوابة ونصف الناقل)، يُحصل على الدارة المكافئة لترانزستور CNFET بالستي من النوع p في حالة الإشارات الكبيرة (الشكل 6).

ميزات ومثالب

تتشارك الأنابيب الكربونية النانوية والغرافين في الكثير من المزايا، مثل حركية حوامل الشحنة الذاتية العالية في درجة حرارة الغرفة، وهذا ما يجعل العناصر الإلكترونية الكربونية واعدةً خاصةً في دارات التردد العالي، إضافةً إلى أنها تتطلب طاقةً أقل من مثيلاتها السليكونية.

التحدي الأول الذي يجب أن يواجهه الغرافين هو كونه ذا فجوة طاقية تساوي الصفر، مما يجعله غير قادرٍ على الانطفاء turn off حقيقةً، ولذا لا يمكن للترانزستور gFET أن ينافس FET التقليدي من حيث النسبة I_on/I_off. كما دلت المحاكاة أن حركية الثقوب في الشرائط النانوية دون 10 nm تبلغ حوالي 100-200cm2v-1s-1 (أصغر بكثير من 200000 cm2v-1s-1 المتوقعة) وهي قريبة من قيمتها في العناصر السليكونية التقليدية، وتُجرِّد إذن الغرافين من مميزاته التي ذُكرت.

تحدٍّ آخر للغرافين في gFET هو الإشباع الضعيف في منحنيه المميز V_I- V_D. وهذا يعوق أداء الترانزستور في الترددات الراديوية؛ لأن معظم هذه الترانزستورات تعمل في منطقة الإشباع.

1 - تطبيقات

إن الخواص الفريدة لقناة CNT - مثل بنيتها الأنبوبية tubular والناقلية الكهربائية والحرارية الممتازة وقابلية توليف خواصها الضوئية ومتانتها وصلابتها الميكانيكية المتفوقة - أدت إلى تطبيقات متنوعة، يُذكر منها:

المُحِسَّات الكيميائية والبيولوجية: عموماً، المواد النانوية هي مواد مثالية لتصنيع المُحِسَّات الكيميائية والبيولوجية بسبب أبعادها الصغيرة والنسبة العالية للسطح إلى الحجم. في الحالة المثالية، يمكن الوصول فيزيائياً إلى كل ذرة، كما يمكن التأثير perturb في كل ذرة وقياس هذه التأثيرات كهربائياً أو ضوئياً. هذه الصفات تجعل الأنابيب الكربونية والغرافين جذابة جداً في تطبيقات المُحِسَّات.

يمكن تلخيص مبدأ عمل هذه المُحِسَّات على النحو الآتي: تُعالج CNT كيميائياً بتوضيع طبقة ملائمة عليها أو ربط attaching زمرة وظيفية بها لتحسين حساسيتها وانتقائيتها للعناصر أو التفاعلات المرغوبة أو لتكييفها مع الوسط المحيط (المُحِسَّات البيولوجية في محلول). يوفر التغير اللاحق في الناقلية الكهربائية للأنابيب الكربونية أو في إصداريتها الضوئية معلومات تتعلق بالتفاعل أو بوجود العناصر التي يُرغب في الكشف عنها.

رؤوس المسابر المجهرية الماسحة: أحد المُكوِّنات الأساسية في كل المجاهر المسبرية الماسحة (AFM, STM) هو رأس المسبر الذي يُعلَّق في نهاية ناتئة cantilever، ويُحرَّك حول سطح العينة لقياس خواص السطح. تُحدِّد الأبعاد الجانبية للرأس قدرة الفصل الجانبية، ويُحدِّد طوله الشاقولي قدرته على تصوير الأخاديد trenches العميقة بدقة. إن البنية الأسطوانية لـ CNT بقطر من مرتبة النانومترات وبطول من مرتبة المكرومترات إضافةً إلى صلابتها المحورية تجعل منها رأس مسبرٍ شبه مثالي.

الإصدار الحقلي للإلكترونات: يمكن لأي نظام يستعمل منبع إلكترونات استعمال عنصر إصدار إلكترونات يعتمد على CNT. يعمل الإصدار الحقلي للإلكترونات بتطبيق حقل كهربائي عالٍ على رأس الأنابيب النانوية لإصدار إلكترونات. إن البنية الميكانيكية المستقرة والرقيقة لـ CNT إضافةً إلى ناقليتها الحرارية الكهربائية الكبيرتين واستقراريتها الكيميائية العالية تعدّ صفات مطلوبة لعنصر إصدار حقلي؛ إضافةً إلى ذلك فإن نصف قطرها الصغير يتيح عوامل تعزيز الحقل العالي.

لبوسات مكثفات فائقة Super capacitors: بسبب النسبة العالية لمساحة السطح إلى الكتلة، يمكن استعمال الغرافين في تصنيع لبوسات مكثفات، بحيث تكون كثافة الطاقة التي تخزنها أكبر بخمس مرات من المكثفات التجارية.

إلكترونيات مرنة: بما أن الغرافين مرن وشافُّ ورقيق جداً، فيمكن استعماله لصنع إلكترونيات مرنة (الشكل 7).

أنظمة إلكتروميكانيكية نانوية (NEMS) systems Nanoelectromechanical  : وهي عناصر تجمع وظائف كهربائية وميكانيكية على مستوى الأبعاد النانوية. العارضة الناتئة cantilever beam هي إحدى المُكوِّنات الرئيسة للعديد من العناصر NEMS. تُستعمل الناتئة نموذجياً كمُحسّ فيزيائي، حيث يكون موضعها أو حركتها تابعاً للشروط المحيطة، أو كمُفعِّل يمكن التحكم فيه كهربائياً. بطبيعتها فإن CNT ملائمة كنواتئ لتصميم الأنظمة NEMS بسبب بنيتها الرقيقة slender وصلابتها التوجهية directional وكتلتها الصغيرة وخمولها الكيميائي وخواصها الكهربائية والحرارية المميزة وقابليتها لاستيعاب إجهادات strains كبيرة جداً نسبياً من دون أن تنكسر. أبدت هذه العناصر كفاءةً جيدة في الأنظمة التجريبيّة مثل مُحسّات الضغط والملاقط النانوية nanotweezers والمبدِّلات النانوية nanorelay العالية السرعة والذاكرات اللامتلاشية non-volatile و مُحسّات الكتلة ذات قدرة الفصل الذرية (الشكل 8) والمهتزات القابلة للتوليف.

تطبيقات أخرى: بما أن الغرافين ناقل جيد وشفاف عملياً؛ فهو ملائم لتصنيع شاشات اللمس الشفافة واللوحات الضوئية وربما الخلايا الشمسية.

التصنيف : الهندسة الالكترونية

النوع : الهندسة الالكترونية

المجلد: المجلد الثالث

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية