الهياكل النانوية لأشباه الموصلات

الهياكل النانوية لأشباه الموصلات

تشكل الهياكل النانوية لأشباه الموصلات فئة رائدة من المواد، مع درجة كبيرة من الحرية في تصميم الخصائص الكهروضوئية من خلال الاختلافات في التركيب والحجم والأبعاد؛ وتستخدم الهياكل النانوية لأشباه الموصلات في الإضاءة والشاشات والاتصالات السلكية واللاسلكية ومعالجة المعلومات (الكمية) والاستشعار (الكمي).

يمكن تصنيع الهياكل النانوية لأشباه الموصلات من خلال التنظيم الذاتي باستخدام النمو غير المتجانس، وهو نمو مادة معينة على ركيزة من مادة مختلفة أخرى؛ ويؤدي عدم تطابق الشبكة هذا إلى تراكم الإجهاد المرن في النمو الأولي ثنائي الأبعاد (2D) في التباين غير المتجانس.

في حالة (Geteroepitaxy) على Si، تقتصر Ge على الثابت الشبكي الأصغر لركيزة Si، أي أن Ge متوتر إلى ثابت شبكي Si، وينتج عن هذا تراكم الإجهاد المرن؛ وهناك طريقة واحدة لتخفيف هذا الضغط هو تشكيل جزر Ge 3D.

وفي الجزر ثلاثية الأبعاد يقتصر الجزء السفلي من الجزر على ثابت شبكة الركيزة، وفي الجزء العلوي من الجزيرة ثلاثية الأبعاد، يمكن لثابت الشبكة الاسترخاء إلى ثابت الشبكة السائبة Ge وتقليل طاقة الإجهاد؛ ويتميز وضع النمو هذا بتكوين طبقة ترطيب ثنائية الأبعاد والنمو اللاحق للجزر ثلاثية الأبعاد (المسترخية جزئيًا) يسمى وضع النمو (Stranski-Krastanov).

أهمية الهياكل النانوية لأشباه الموصلات

سهلت البنية النانوية لأشباه الموصلات القائمة على المحفزات الضوئية غير المتجانسة التقدم السريع في تعزيز كفاءة التحفيز الضوئي تحت إشعاع الضوء المرئي، مما زاد من احتمالية استخدام ضوء الشمس للتطبيقات البيئية والطاقة مثل معالجة مياه الصرف الصحي وتقسيم المياه وتقليل ثاني أكسيد الكربون.

وحتى الآن تم تصنيع ودمج بنى نانوية متنوعة من أشباه الموصلات لتصميم مركبات نانوية غير متجانسة ممتازة، والتي تنشط تحت الإشعاع الشمسي؛ وفي ضوء ذلك يبدأ بالتقديم العام للموضوع المتغاير أشباه الموصلات من أجل التحفيز الضوئي.

أظهرت المركبات النانوية شبه الموصلة امتصاصًا أعلى للطاقة الشمسية، ولتحلل الملوثات فإن تكوين روابط غير متجانسة مع المعادن والمواد الكربونية له تأثير يعمل على فصل ناقلات الشحنة ونقلها، وعزز تحسيس النقاط الكمومية لأشباه الموصلات والمعادن المختلفة من استخدام ضوء الشمس أو تحسين أداء التحفيز الضوئي.

ويوفر التقدم المحرز في تصنيع المركبات النانوية طريقًا واعدًا لتعزيز كفاءة التحفيز الضوئي لأشباه الموصلات الضوئية؛ وتعرف المواد ذات البنية النانوية لها مساحة سطح محددة عالية، وتظهر تأثير الحجم الكمي مما يؤدي إلى امتصاص ممتاز تحت مناطق الأشعة فوق البنفسجية المرئية (VIS) للطيف الشمسي.

تطبيقات الهياكل النانوية لأشباه الموصلات

أدى التقدم في أبحاث تكنولوجيا النانو إلى إنشاء جيل جديد من عوامل التباين والعلاجات وأنظمة التوصيل؛ ومن المتوقع أن تؤدي هذه التطبيقات إلى تحسين تشخيص وعلاج مجموعة متنوعة من الأمراض بشكل كبير.

وتعد تقنيات النانو أشباه الموصلات والبنى النانوية المعدنية الأكثر تقدمًا في هذا المجال الشاب، وقد تم فحصهما على نطاق واسع للاستخدام السريري؛ حيث تعتبر هذه الهياكل النانوية حاليًا “نموذجًا” لتطورات العديد من الهياكل النانوية الجديدة.

 تصنيفات الهياكل النانوية لأشباه الموصلات

الهياكل النانوية صفرية الأبعاد (0D)

اعتبرت الأشكال ذات الأبعاد الصفرية الأكثر أساسية وتماثلًا، بما في ذلك الكرات والمكعبات؛ ونمت العديد من البلورات النانوية شبه الموصلة من عمليات الشيخوخة للسلائف الأيونية داخل المذيلات العضوية.

ومع ذلك، فإن البلورات النانوية التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة لها تبلور ضعيف نسبيًا أو تشتت متعدد في حجمها؛ وهناك طريقة بديلة لحل هذه المشاكل، حيث تم اعتماد طريقة التحلل الحراري للسلائف المعدنية العضوية تحت محلول عضوي ساخن.

هياكل نانوية شبه أحادية البعد (1D)

يستخدم مصطلح الهياكل النانوية شبه أحادية البعد، لأن الأبعاد غالبًا ما تكون أكبر من العتبة المشار إليها، وعلى الرغم من أن الاستطالة على طول محور رئيسي واحد لا تزال موجودة؛ ويصبح قطر النانو أو الأسلاك النانوية أو الأنابيب النانوية أصغر.

وغالبًا ما يكون هناك تغيير كبير في الخصائص فيما يتعلق بالمواد الصلبة البلورية أو حتى الأنظمة ثنائية الأبعاد، ويعتبر سلك البزموث النانوية مثالاً ممتازًا، حيث يتحول إلى شبه موصل، حيث يصبح قطر السلك أصغر من خلال التحكم في متغيرات النمو مثل درجة الحرارة واختيار جزيئات السد وتركيزات السلائف والمراحل البلورية للنواة واختيار النظام بين النمو المتحكم فيه حركيًا والديناميكا الحرارية.

 أنظمة النانو ثلاثية الأبعاد

يمكن تصنيف الكائنات التي لها حجم إجمالي في النطاق غير النانوية (بشكل أساسي في نطاق مايكرومتر أو مليمتر)، ولكنها تعرض ميزات نانومتريه (مثل مساحات الحبس النانوية) أو الناتجة عن الترتيب الدوري وتجميع كتل البناء ذات الأحجام النانوية على أنها ” أنظمة النانو ثلاثية الأبعاد.

وهي تظهر خصائص جزيئية وكبيرة مختلفة؛ على وجه الخصوص يتم تحضير الهياكل الفوقية للبلورات النانوية ثلاثية الأبعاد من خلال تجميع كتل البناء الأساسية النانوية مثل؛ كرات 0D قضبان 1D وألواح ثنائية الأبعاد، للحصول على هياكل أكبر حجمًا من الأشكال المبتكرة.

على العكس من ذلك، يتم تصنيع المواد النانوية باستخدام نهج “تكميلي”، حيث يتم الحصول على نظام من المسام الفراغية النانوية داخل مادة سائبة مستمرة ويمكن استخدام النظم النانوية الأكثر بساطة كـ “ذرات اصطناعية” لبناء هياكل فوقية ثلاثية الأبعاد، مثل الشبكات الفائقة التي يكون فيها جسيمات نانوية معينة في نقطة شعرية دورية يمكن التنبؤ بها.

الحبس الكمي في الهياكل النانوية لأشباه الموصلات

تمت دراسة تأثيرات الحبس الكمي في أنظمة أشباه الموصلات منخفضة الأبعاد قبل عقدين من الزمن؛ ففي العقد الماضي، ظهرت مراجعات شاملة ومكتوبة جيدًا ركزت على تأثيرات الحصر الكمي لأشباه الموصلات المختلفة مع التركيز على الخصائص البصرية، بما في ذلك الامتصاص والتألق.

من الواضح أن حبس الإلكترون والثقب في البلورات النانوية يعتمد بشكل كبير على خصائص المادة؛ وتتمثل إحدى أهم نتائج تأثير الحبس المكاني في زيادة طاقة قمم الإثارة من النطاق إلى النطاق (التحول الأزرق)، حيث يتم تقليل نصف القطر R لأشباه الموصلات الغريزوفولفين فيما يتعلق بنصف قطر بوهر.

ومن الناحية النظرية، تختلف أنظمة الحبس الكمومي في طاقة تفاعل ثقب الإلكترون الرئيسية، أي مصطلح كولوم وطاقة حبس الإلكترون والثقب والطاقة الحركية.

في عالم تصنيع الهياكل النانوية لأشباه الموصلات هناك طريقتان رئيسيتان؛ وهي طرق من أسفل إلى أعلى تبدأ بلا شيء وتكوِّن ذرة تلو ذرة، وطرق من أعلى إلى أسفل تأخذ مواد سائبة أكبر وتجعلها أصغر وأصغر حتى تصبح في الجسيمات النانوية نطاق الحجم؛ حيث أن هذه الطرق قابلة للتطبيق لكل من التصنيع صغير الحجم والتصنيع على نطاق واسع.