| تاریخ ارسال: 1403/4/16 |
مدل نشان میدهد که چگونه نانوحفرهها در مواد دوبعدی توسط برخورد یونهای باردار، تشکیل میشوند
امروزه مواد و دستگاههای کوچکتر و کوچکتر برای ایجاد نسل بعدی الکترونیک استفاده میشوند. برای اطمینان از عملکرد صحیح این فناوری، محققان به مدلسازی، پردازش و روشهای اندازهگیری نیاز دارند که در مقیاس نانو کار کنند.
ساختارهای ناهمسان (Heterostructures) یکی از حوزههای الکترونیکی هستند که از این نانوروشها بهره میبرند. ساختارهای ناهمسان روشی برای طراحی نیمههادیها با لایهبندی چندین ماده مختلف هستند. چنین لایهبندی به محققان اجازه میدهد تا پارامترهای اساسی مختلفی مانند عرض باند ممنوعه، جرمهای موثر و موبیلیته حاملهای بار و ضریب شکست را در دستگاههای نیمهرسانا کنترل کنند.
استفاده از مواد دو بعدی برای ایجاد ساختارهای ناهمسان، راهی برای ساخت نیمههادیهایی با ویژگیهای الکتریکی، نوری و حرارتی منحصر به فرد ایجاد میکند. در چنین ساختارهای ناهمسانی، هر لایه دوبعدی توسط نیروهای واندروالس به طور ضعیفی کنار هم نگه داشته میشود. به این ترتیب، الکترونها میتوانند آزادانه در هر صفحه معین حرکت کنند، اما حرکت آنها بین صفحات محدود است.
برای تنظیم دقیق خواص ساختارهای دوبعدی، محققان به تکنیکهای اصلاح با دقت تکلایه (single-layer) نیاز دارند. یون های باردار ابزاری هستند که محققان از آن برای دستکاری و اصلاح ساختارهای ناهمسان دوبعدی با دقت لازم استفاده میکنند.
یونهای باردار اتمهایی هستند که تمام یا بیشتر الکترونها در آنها حذف شده است. هنگامی که این یونها به یک ساختار ناهمسان دوبعدی شلیک میشوند، مانند نارنجکهای دستی عمل میکنند و انرژی زیادی آزاد میکنند زیرا به سرعت الکترونها را از اتمهای اطراف خود میگیرند. این واکنش منجر به تشکیل منافذ به اندازه نانومتر در ساختار ناهمسان دوبعدی میشود.
محققان پاسخ مواد دوبعدی مختلف به بمباران یونی با بار بالا، از جمله گرافن و دیسولفید مولیبدن را آزمایش کردهاند. در حالی که گاهی یونها بدون هیچ تغییر محسوسی به مواد دوبعدی نفوذ میکنند، در مواقع دیگر، مواد دو بعدی در محل برخورد به طور کامل از بین میروند.
برای درک اینکه چرا مواد مختلف به بمباران یونی باردار بسیار متفاوت واکنش نشان میدهند، محققان موسسه فیزیک نظری و موسسه فیزیک کاربردی در دانشگاه صنعتی وین (TU Wien) در اتریش از شبیهسازی برای بررسی مکانیسمهای تشکیل نانوحفره در فلوروگرافن استفاده کردند.
فلوروگرافن، گرافنی است که فلورینه شده است، به این معنی که از اتم های کربن و فلوئور تشکیل شده است. فلوروگرافن یکی از نازکترین عایقها است و تحقیق در مورد ساختار و شیمی آن رشته نوپایی به حساب میآید، زیرا میتواند به مشتقات مختلف گرافن منجر شود.
ساختارهای ناهمسان (Heterostructures) یکی از حوزههای الکترونیکی هستند که از این نانوروشها بهره میبرند. ساختارهای ناهمسان روشی برای طراحی نیمههادیها با لایهبندی چندین ماده مختلف هستند. چنین لایهبندی به محققان اجازه میدهد تا پارامترهای اساسی مختلفی مانند عرض باند ممنوعه، جرمهای موثر و موبیلیته حاملهای بار و ضریب شکست را در دستگاههای نیمهرسانا کنترل کنند.
استفاده از مواد دو بعدی برای ایجاد ساختارهای ناهمسان، راهی برای ساخت نیمههادیهایی با ویژگیهای الکتریکی، نوری و حرارتی منحصر به فرد ایجاد میکند. در چنین ساختارهای ناهمسانی، هر لایه دوبعدی توسط نیروهای واندروالس به طور ضعیفی کنار هم نگه داشته میشود. به این ترتیب، الکترونها میتوانند آزادانه در هر صفحه معین حرکت کنند، اما حرکت آنها بین صفحات محدود است.
برای تنظیم دقیق خواص ساختارهای دوبعدی، محققان به تکنیکهای اصلاح با دقت تکلایه (single-layer) نیاز دارند. یون های باردار ابزاری هستند که محققان از آن برای دستکاری و اصلاح ساختارهای ناهمسان دوبعدی با دقت لازم استفاده میکنند.
یونهای باردار اتمهایی هستند که تمام یا بیشتر الکترونها در آنها حذف شده است. هنگامی که این یونها به یک ساختار ناهمسان دوبعدی شلیک میشوند، مانند نارنجکهای دستی عمل میکنند و انرژی زیادی آزاد میکنند زیرا به سرعت الکترونها را از اتمهای اطراف خود میگیرند. این واکنش منجر به تشکیل منافذ به اندازه نانومتر در ساختار ناهمسان دوبعدی میشود.
محققان پاسخ مواد دوبعدی مختلف به بمباران یونی با بار بالا، از جمله گرافن و دیسولفید مولیبدن را آزمایش کردهاند. در حالی که گاهی یونها بدون هیچ تغییر محسوسی به مواد دوبعدی نفوذ میکنند، در مواقع دیگر، مواد دو بعدی در محل برخورد به طور کامل از بین میروند.
برای درک اینکه چرا مواد مختلف به بمباران یونی باردار بسیار متفاوت واکنش نشان میدهند، محققان موسسه فیزیک نظری و موسسه فیزیک کاربردی در دانشگاه صنعتی وین (TU Wien) در اتریش از شبیهسازی برای بررسی مکانیسمهای تشکیل نانوحفره در فلوروگرافن استفاده کردند.
فلوروگرافن، گرافنی است که فلورینه شده است، به این معنی که از اتم های کربن و فلوئور تشکیل شده است. فلوروگرافن یکی از نازکترین عایقها است و تحقیق در مورد ساختار و شیمی آن رشته نوپایی به حساب میآید، زیرا میتواند به مشتقات مختلف گرافن منجر شود.
تصویر بالا بازسازی لایههای کربن به دلیل تأثیر یک یون بسیار باردار با بارهای اولیه (
Credit: Sagar Grossek et al., Nano Letters (CC BY ۴.۰), https://doi.org/۱۰.۱۰۲۱/acs.nanolett.۲c۰۳۸۹۴
همانطور که در مقالهی مرجع توضیح داده شده است، شبیهسازیهای محققان، شامل یک شبیهسازی دینامیک مولکولی کلاسیک (برای حرکت اتمهای هدف) همراه با مدل Monte Carlo (برای انتقال بار انتشاری در لایه) بود.
در شبیهسازیها، تکههای گرافن به صورت چندین حلقه متحدالمرکز در اطراف نقطه برخورد یون بسیار باردار ظاهر شدند. حرکت اتم تا زمانی که شبکه بدون بار بود یا به عبارت دیگر، تا زمانی که بارها از بیرونیترین حلقه خارج شدند، دنبال شد.
علاوه بر این، محققان پتانسیل Stillinger–Weber را در مدل خود گنجاندهاند. این پتانسیل، که با موفقیت در توصیف مواد دوبعدی مختلف استفاده شده است، بیان میکند که انرژی پیوند هم به فاصله بین اتمها و هم به زوایای پیوند مربوط میشود. محققان توضیح میدهند که آنها این پتانسیل را «به دلیل هزینه عددی کم آن در حالی که با موفقیت تقسیم دانههای گرافن را به نانوصفحات گرافن زمانی که کرنش میشوند، بازتولید میکنند» لحاظ کردند. بر اساس این شبیهسازیها، محققان تشخیص دادند که تکانه یونهای بسیار باردار عمدتاً مسئول تشکیل منافذ نمی باشند، بلکه موبیلیته بار ماده دوبعدی است.
گرافن موبیلیته الکترون بسیار بالایی دارد. بنابراین این بار مثبت موضعی (یون بسیار باردار) میتواند در مدت کوتاهی در آنجا متعادل شود. Christoph Lemell، نویسنده ارشد، دانشیار فیزیک نظری، در بیانیه مطبوعاتی TU Wien توضیح میدهد که الکترونها به سادگی از جای دیگر وارد میشوند.
در مقابل، موادی مانند دیسولفید مولیبدن موبیلیته الکترونی کندتری دارند و بنابراین الکترونها نمیتوانند با سرعت کافی از جاهای دیگر به داخل جریان پیدا کنند. بنابراین یک انفجار کوچک در محل برخورد رخ میدهد: اتمهای دارای بار مثبت که یونها الکترونهای خود را از آن گرفتهاند، یکدیگر را دفع میکنند و منافذی در ابعاد نانو تشکیل میشود.
این وابستگی تشکیل منافذ به موبیلیته بار توضیح میدهد که چرا گرافن با فلوئور بالا نسبت به تشکیل منافذ حساستر است – فلوئوراسیون ساختار نواری گرافن را تغییر میدهد و در نتیجه موبیلیته بار را کاهش میدهد.
Alexander Sagar Grossek، نویسنده اصلی، در بیانیه مطبوعاتی میگوید: «از طریق یافتههایمان، اکنون کنترل دقیقی بر دستکاری مواد در مقیاس نانو داریم. این دانش ابزار کاملاً جدیدی را برای دستکاری لایههای فوق نازک به روشی کاملاً قابل محاسبه برای اولین بار فراهم میکند».
مقاله مرجع:
در شبیهسازیها، تکههای گرافن به صورت چندین حلقه متحدالمرکز در اطراف نقطه برخورد یون بسیار باردار ظاهر شدند. حرکت اتم تا زمانی که شبکه بدون بار بود یا به عبارت دیگر، تا زمانی که بارها از بیرونیترین حلقه خارج شدند، دنبال شد.
علاوه بر این، محققان پتانسیل Stillinger–Weber را در مدل خود گنجاندهاند. این پتانسیل، که با موفقیت در توصیف مواد دوبعدی مختلف استفاده شده است، بیان میکند که انرژی پیوند هم به فاصله بین اتمها و هم به زوایای پیوند مربوط میشود. محققان توضیح میدهند که آنها این پتانسیل را «به دلیل هزینه عددی کم آن در حالی که با موفقیت تقسیم دانههای گرافن را به نانوصفحات گرافن زمانی که کرنش میشوند، بازتولید میکنند» لحاظ کردند. بر اساس این شبیهسازیها، محققان تشخیص دادند که تکانه یونهای بسیار باردار عمدتاً مسئول تشکیل منافذ نمی باشند، بلکه موبیلیته بار ماده دوبعدی است.
گرافن موبیلیته الکترون بسیار بالایی دارد. بنابراین این بار مثبت موضعی (یون بسیار باردار) میتواند در مدت کوتاهی در آنجا متعادل شود. Christoph Lemell، نویسنده ارشد، دانشیار فیزیک نظری، در بیانیه مطبوعاتی TU Wien توضیح میدهد که الکترونها به سادگی از جای دیگر وارد میشوند.
در مقابل، موادی مانند دیسولفید مولیبدن موبیلیته الکترونی کندتری دارند و بنابراین الکترونها نمیتوانند با سرعت کافی از جاهای دیگر به داخل جریان پیدا کنند. بنابراین یک انفجار کوچک در محل برخورد رخ میدهد: اتمهای دارای بار مثبت که یونها الکترونهای خود را از آن گرفتهاند، یکدیگر را دفع میکنند و منافذی در ابعاد نانو تشکیل میشود.
این وابستگی تشکیل منافذ به موبیلیته بار توضیح میدهد که چرا گرافن با فلوئور بالا نسبت به تشکیل منافذ حساستر است – فلوئوراسیون ساختار نواری گرافن را تغییر میدهد و در نتیجه موبیلیته بار را کاهش میدهد.
Alexander Sagar Grossek، نویسنده اصلی، در بیانیه مطبوعاتی میگوید: «از طریق یافتههایمان، اکنون کنترل دقیقی بر دستکاری مواد در مقیاس نانو داریم. این دانش ابزار کاملاً جدیدی را برای دستکاری لایههای فوق نازک به روشی کاملاً قابل محاسبه برای اولین بار فراهم میکند».
مقاله مرجع:
The open-access paper, published in Nano Letters, “Model for nanopore formation in two-dimensional materials by impact of highly charged ions”
(DOI: ۱۰.۱۰۲۱/acs.nanolett.۲c۰۳۸۹۴).
منبع:
ترجمه: مهندس فاطمه شریفآبادی، دانشگاه صنعتی شریف