المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 5 - المواد القائمة على الكربون
1 مقدمة
برزت المواد القائمة على الكربون كعناصر تحويلية في المواد الإلكترونية بسبب خواصها الفيزيائية والكيميائية والإلكترونية الاستثنائية. ويبرز الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية والفوليرين كمواد متعددة الاستخدامات تتراوح تطبيقاتها من الترانزستورات عالية السرعة إلى أجهزة تخزين الطاقة المتقدمة. إن الموصلية الرائعة للجرافين وقوته الميكانيكية الرائعة، والبنية الفريدة أحادية البعد والمرونة التي تتمتع بها الأنابيب النانوية الكربونية والفوليرينات، والتكوين الجزيئي المميز للفوليرينات وخصائص أشباه الموصلات، قد جعلتها مجتمعةً مكونات محورية في الإلكترونيات الحديثة. تستكشف هذه المقالة هذه المواد، وتتعمق في مبادئها ومزاياها وتطبيقاتها الواقعية في الأجهزة الإلكترونية، وتوضح كيف يعيد الكربون تعريف الإمكانيات في مجال الإلكترونيات والتكنولوجيا.
2 الجرافين
الجرافين هو متآصل من الكربون تترابط فيه ذرات الكربون في تهجين sp² لتكوين طبقة جرافين شبكية سداسية واحدة على شكل قرص عسلية واحدة. يمكن بناء الفوليرين (C60) ونقاط الجرافين الكمية ، وأنابيب الكربون النانوية، والأنابيب النانوية النانوية، والأنابيب النانوية النانوية متعددة الجدران، والأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران، والأبواق النانوية باستخدام هذا التركيب البلوري للجرافين. تشكّل طبقات الجرافين المكدّسة (أكثر من 10 طبقات) من الجرافين الجرافيت، حيث تتماسك الطبقات معًا بواسطة قوى فان دير فالز وتبلغ المسافة بين الطبقات على مستوى بلوري 0.335 نانومتر. يتميّز الجرافين بخصائص بصرية وكهربائية وميكانيكية ممتازة، وله تطبيقات مهمة في علوم المواد والتصنيع الدقيق والنانوي والطاقة والطب الحيوي وتوصيل الأدوية، ويُعتبر مادة ثورية للمستقبل.
2.1 بنية الجرافين وخصائصه
يترابط ترتيب ذرات الكربون داخل الجرافين بمدارات مهجّنة من ذرات sp2 كما هو الحال في طبقات الجرافيت الأحادية الذرة، ويتميز بالخصائص التالية: ذرات الكربون لديها أربعة إلكترونات تكافؤ، ثلاثة منها تولد روابط sp2، أي أن كل ذرة كربون تساهم بإلكترون غير مرتبط يقع في مدارات pz، ومدارات pz للذرات المتجاورة القريبة تكون موجهة بشكل عمودي على المستوى يمكن تشكيلها في رابطة π، والروابط π المتشكلة حديثًا تكون في حالة شبه مملوءة. تؤكد الدراسة أن عدد التناسق بين ذرات الكربون في الجرافين هو 3، وطول الرابطة بين كل ذرتَي كربون متجاورتين هو 1.42 × 10-10 م، والزاوية بين الرابطة والرابطة هي 120 درجة. وبالإضافة إلى الروابط σ التي ترتبط مع ذرات الكربون الأخرى لتكوين بنية طبقة قرص العسل لحلقة سداسية الشكل، يمكن لمدارات pz المتعامدة على مستوى طبقة كل ذرة كربون أن تشكّل روابط π-رابطات كبيرة مع ذرات متعددة تمرّ عبر الطبقة بأكملها (على غرار حلقات البنزين)، ما ينتج عنه توصيلية كهربائية وخصائص بصرية ممتازة.
الشكل 1 الجرافين عبارة عن بنية أحادية الطبقة من ذرات الكربون
يتمتع الجرافين بحركة ناقلة تبلغ حوالي 15,000 سم2/(V-s) في درجة حرارة الغرفة، وهي قيمة تزيد عن 10 أضعاف السيليكون، وأكثر من ضعف قيمة أنتييمونيد الإنديوم (InSb)، وهي المادة ذات أعلى حركة ناقلة معروفة. وفي ظل ظروف معينة محددة مثل درجات الحرارة المنخفضة، يمكن أن تصل حركية الناقل في الجرافين إلى 250,000 سم2/(V-s). وعلى عكس العديد من المواد، تتأثر حركية الإلكترونات في الجرافين بدرجة أقل بالتغيرات في درجات الحرارة، وتبلغ حركية الإلكترونات في الجرافين أحادي الطبقة حوالي 15000 سم2/(V-s) في أي درجة حرارة تتراوح بين 50 و500 كلفن.
وبالإضافة إلى ذلك، يمكن ملاحظة تأثير القاعة الكمومية النصفية لحاملات الإلكترون وحاملات الثقب في الجرافين عن طريق تغيير الجهد الكيميائي من خلال عمل مجال كهربائي، وقد لاحظ العلماء تأثير القاعة الكمومية هذا في الجرافين عند درجة حرارة الغرفة. وتتبع الناقلات في الجرافين تأثير نفقي كمي خاص ولا ترتد عندما تواجه الشوائب، وهذا هو سبب الموصلية الفائقة المحلية للجرافين وكذلك حركية الناقل العالية جداً. لا تمتلك الإلكترونات ولا الفوتونات في الجرافين كتلة سكونية؛ فسرعتها ثابتة لا علاقة لها بالطاقة الحركية.
الجرافين هو شبه موصل ذو نطاق صفري لأن نطاقي التوصيل والتكافؤ يلتقيان عند نقطة ديراك. وتنقسم منطقة بريلوين، وهي حافة فضاء الزخم عند المواضع الستة لنقطة ديراك، إلى مجموعتين من التوائم الثلاثية المكافئة. في المقابل، عادةً ما يكون لأشباه الموصّلات التقليدية Э نقطة رئيسية ذات كمية حركة صفرية.
2.2 تطبيقات الجرافين
الدوائر المتكاملة: يتمتع الجرافين بإمكانيات كبيرة في مجال الدوائر المتكاملة بسبب توصيله الكهربائي والحراري الممتاز. على سبيل المثال، طورت شركة IBM بنجاح دوائر متكاملة مصنوعة من رقائق الجرافين تعمل كخلاطات ترددات لاسلكية عريضة النطاق تصل إلى 10 جيجاهرتز. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام الجرافين في تصنيع دوائر متكاملة ثلاثية الأبعاد لحل مشاكل تبديد الحرارة والتداخل الكهرومغناطيسي.
ترانزستورات التأثير الميداني (FETs): تُعد ترانزستورات الجرافين FETs مناسبة بشكل مثالي كمواد قناة بسبب قابليتها العالية للحركة الحاملة وسماكتها الذرية. تستخدم ترانزستورات الجرافين FETs في كل من الدوائر التناظرية والرقمية. في الدوائر التناظرية، يمكن استخدام الجرافين FETs في تطبيقات الترددات اللاسلكية؛ أما في الدوائر الرقمية، فيمكن لطرق مثل التطعيم الكيميائي أن تفتح فجوة نطاق الجرافين وتحسّن نسبة تيار التحويل لديه، ما يعزز إمكانية استخدامه في الأجهزة المنطقية الرقمية.
الشكل 2 بناء ترانزستور تأثير حقل الجرافين (GFET)
الصمام الثنائي العضوي الباعث للضوء (OLED): يُستخدم الجرافين كقطب كهربائي موصل شفاف لصمامات OLED، ليحل محل مادة ITO التقليدية بسبب قدرته على نقل الضوء والتوصيل. وتضاهي أجهزة الصمام الثنائي الثنائي العضوي الباعث للضوء المزودة بأقطاب الجرافين أقطاب ITO من حيث الخصائص البصرية والميكانيكية، كما أن الجرافين أكثر مرونة، مما يساعد على تصنيع أجهزة عرض قابلة للانحناء.
المستشعرات الكيميائية: تمنحه مساحة السطح النوعية العالية للجرافين وحساسيته للبيئة إمكانات كبيرة في مجال المستشعرات الكيميائية. يمكن استخدام مجسات الجرافين الكيميائية للكشف عن الغازات المختلفة مثل NO2 وNH3 بحساسية عالية وحدود كشف منخفضة.
الأجهزة الإلكترونية الضوئية: يُظهر الجرافين إمكانات كبيرة في مجال الأجهزة الإلكترونية الضوئية نظرًا لخصائصه الفيزيائية الكيميائية الفريدة. وتشمل مزاياه الموصلية الكهربائية العالية، والامتصاص الطيفي الواسع، والحركة الفائقة السرعة للناقلات، والمرونة الميكانيكية الجيدة. تمكّن خصائص الامتصاص الطيفي الواسع للجرافين وديناميكيات الحركة الإلكترونية السريعة من الكشف الفعال من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة في أجهزة الكشف الضوئي وهي مناسبة للاتصالات البصرية عالية السرعة بالألياف الضوئية والكشف عن التيراهيرتز. وباعتباره مادة موصلة شفافة، يُستخدم الجرافين على نطاق واسع في الخلايا الشمسية العضوية والخلايا الشمسية الكالكوجينية لتعزيز كفاءة التحويل الكهروضوئي ودعم الأجهزة المرنة القابلة للارتداء. كما يمكن استخدامه أيضًا كأنود شفاف في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء أو دمجه مع مواد أخرى لتعزيز خصائص الإنارة لشاشات العرض المرنة وأجهزة OLED. وبالإضافة إلى ذلك، يُستخدم الجرافين على نطاق واسع في المشكّلات الضوئية وأجهزة الليزر فائقة السرعة بسبب استجابته الضوئية غير الخطية العالية، مما يتيح تعديل الإشارات الضوئية بكفاءة وإخراج ليزر نبضي فائق القصر. وتدعم مرونته وشفافيته أيضًا تطوير الأجهزة الإلكترونية الضوئية المرنة مثل شاشات العرض المنحنية والجلود الإلكترونية.
3 الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs)
الأنابيب النانوية الكربونية، وهي مادة كمومية أحادية البعد ذات بنية خاصة، لها أبعاد شعاعية في حدود النانومتر وأبعاد محورية في حدود الميكرومتر، والأنبوب محكم الإغلاق من كلا الطرفين. تتكون الأنابيب النانوية الكربونية بشكل أساسي من ذرات كربون مرتبة في نمط سداسي الشكل لتكوين أنابيب دائرية محورية ذات عدة إلى عشرات الطبقات. وتكون المسافة بين الطبقات ثابتة عند حوالي 0.34 نانومتر، ويبلغ قطرها بشكل عام 2-20 نانومتر، ويمكن تصنيف الأنابيب النانوية الكربونية إلى سني المنشار، والكرسي بذراعين، واللولبي وفقاً للتوجهات المختلفة لسداسيات الكربون على طول الاتجاه المحوري. من بينها، الأنابيب النانوية الكربونية من النوع الحلزوني لها شيرية، في حين أن الأنابيب النانوية الكربونية المسننة وذات الكرسي المسنننة ليس لها شيرية، بينما الأنابيب النانوية الكربونية من النوع المسننن وذات الكرسي المسننن ليس لها شيرية، وهي لا تحتوي على شيرية، بل هي من النوع الحلزوني.
3.1 هيكل وخصائص الأنابيب النانوية الكربونية
تكون ذرّات الكربون في الأنابيب النانوية الكربونية مهجّنة في الغالب من النوع sp2، في حين أن البنية الشبكية السداسية لها درجة معينة من الانحناء، مما يشكل طوبولوجيا مكانية، والتي يمكن أن تشكل روابط مهجنة معينة من النوع sp3، أي تكوين روابط كيميائية في نفس الوقت مع تهجين مختلط من الحالة sp2 والحالة sp3، وتتداخل هذه المدارات p مع بعضها البعض لتكوين روابط π- كبيرة غريبة للغاية خارج صفيحة الجرافين للأنابيب النانوية الكربونية. الروابط π الكبيرة على السطح الخارجي للأنابيب النانوية الكربونية هي الروابط π الكبيرة على السطح الخارجي للأنابيب النانوية الكربونية هي الأساس الكيميائي للترابط غير التساهمي بين الأنابيب النانوية الكربونية وبعض الجزيئات الكبيرة ذات خصائص الاقتران.
الشكل 3 هيكل الأنابيب النانوية الكربونية
تُظهر نتائج التحليل الطيفي الكهروضوئي للأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران أن كلاً من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار والأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران تجمع بين مجموعات وظيفية معينة على أسطحها، كما أن الأنابيب النانوية الكربونية التي تم الحصول عليها بطرق تحضير مختلفة لها هياكل سطحية مختلفة بسبب اختلاف طرق التحضير وعمليات ما بعد المعالجة. وبصفة عامة، تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار بخمول كيميائي أعلى وأسطحها أنقى، في حين أن أسطح الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران أكثر نشاطًا وتضم عددًا كبيرًا من المجموعات السطحية، مثل مجموعات الكربوكسيل. وتظهر نتائج الكشف السطحي للأنابيب النانوية الكربونية بواسطة التحليل الطيفي الإلكتروني للأشعة السينية متغيرة الزاوية بالأشعة السينية أن سطح الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار خامل كيميائياً وبنيتها الكيميائية بسيطة نسبياً، ومع زيادة عدد طبقات جدار الأنابيب النانوية الكربونية تتعزز العيوب والتفاعلية الكيميائية، ويميل التركيب الكيميائي للسطح إلى التعقيد. يكون التركيب الكيميائي للطبقة الداخلية من ذرات الكربون أحادية نسبيًا، ويكون التركيب الكيميائي للطبقة الخارجية من ذرات الكربون أكثر تعقيدًا، وغالبًا ما تكون هناك كمية كبيرة من الكربون غير المتبلور المترسب على الطبقة الخارجية من ذرات الكربون. ونظرًا لعدم تجانس التركيب الفيزيائي والكيميائي، فإن عددًا كبيرًا من ذرات الكربون السطحية في الأنابيب النانوية الكربونية لها بيئات دقيقة سطحية مختلفة، وبالتالي يكون لها أيضًا عدم تجانس في الطاقة.
لا تكون الأنابيب النانوية الكربونية مستقيمة دائمًا، ولكن لها مناطق موضعية من التحدب والتقعر، وذلك بسبب ظهور الخماسيات والسباعيات أثناء التحضير السداسي. إذا ظهر الخماسي بالضبط عند طرف الأنبوب النانوي الكربوني، فإنه يشكل ختم الأنبوب النانوي الكربوني. وعندما يظهر السباعي، يكون الأنبوب النانوي مقعرًا. يمكن أن تغير هذه العيوب الطوبولوجية البنية الحلزونية للأنابيب النانوية الكربونية، كما تتغير بنية نطاق الطاقة الإلكترونية في المنطقة المجاورة التي تظهر فيها العيوب. أيضًا، لا يتم لصق اثنين من الأنابيب النانوية الكربونية المتجاورة معًا بشكل مباشر ولكن يتم الاحتفاظ بها على مسافة.
الشكل 4 تكوين عدم استقرار التواء الأنابيب النانوية الكربونية ذات العيوب الشاغرة متعددة الذرات تحت التحميل المحوري: (أ) أنابيب نانوية كربونية ذات عيوب شواغر متعددة الذرات موزعة على طول الاتجاه المحوري؛ (ب) أنابيب نانوية كربونية ذات عيوب شواغر متعددة الذرات موزعة على طول الاتجاه المحيطي.[1].
تُشكّل الإلكترونات P لذرات الكربون على الأنابيب النانوية الكربونية مجموعة كبيرة من الروابط π-روابط خارج النطاق، وبسبب تأثير الاقتران الكبير، تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية ببعض الخصائص الكهربائية الخاصة. فبالنسبة للأنابيب النانوية الكربونية الفلزية، يكون نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل متداخلين جزئياً، أي ما يعادل نطاق طاقة نصف ممتلئ، ويمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية، مما يُظهر توصيلية شبيهة بالمعدن؛ بينما الأنابيب النانوية الكربونية شبه الموصلة لها فجوة نطاق صغيرة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل، ويمكن لإلكترونات نطاق التكافؤ أن تقفز إلى نطاق التوصيل في درجة حرارة الغرفة لتوصيل الكهرباء.
وتتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بتوصيلية كهربائية جيدة لأن بنية الأنابيب النانوية الكربونية مطابقة للبنية الصفائحية للجرافيت. وتتنبأ النظرية بأن توصيلها للكهرباء يعتمد على قطر الأنبوب وزاوية اللولب لجدار الأنبوب. فعندما يكون قطر أنبوب الأنابيب النانوية النانوية أكبر من 6 نانومتر، تنخفض الموصلية الكهربائية؛ وعندما يكون قطر الأنبوب أصغر من 6 نانومتر، يمكن اعتبار الأنابيب النانوية النانوية النانوية أسلاكاً كمومية أحادية البعد ذات توصيل كهربائي جيد. وقد ذُكر أن هوانغ اعتبر أن الأنابيب النانوية الكربونية التي يبلغ قطرها 0.7 نانومتر فائقة التوصيل عن طريق الحسابات، وعلى الرغم من أن درجة حرارة انتقالها فائقة التوصيل هي 1.5 × 10-4 كلفن فقط، إلا أنها تنبئ بآفاق الأنابيب النانوية الكربونية في مجال التوصيل الفائق.
يُستخدم المتجه Ch عادةً لتمثيل اتجاه الترتيب الذري على الأنابيب النانوية الكربونية، حيث يشير المتجه Ch = na1 + ma2، ويُشار إليه بـ (n، m.) حيث يشير a1 و a2 إلى متجهي الأساس على التوالي، ويرتبط (n، m) ارتباطًا وثيقًا بالتوصيلية الكهربائية للأنابيب النانوية الكربونية. بالنسبة إلى أنبوب نانوي (n، m) معين، إذا كان هناك 2n + m = 3q (q عدد صحيح)، فإن هذا الاتجاه يظهر معدنية وموصل جيد، وإلا فإنه يتصرف كأشباه موصلات. بالنسبة لاتجاه n = m، تُظهر الأنابيب النانوية الكربونية توصيلية كهربائية جيدة، حيث تصل الموصلية عادةً إلى 10000 ضعف الموصلية الكهربائية للنحاس.
3.2 تطبيقات الأنابيب النانوية الكربونية
الأنابيب النانوية الكربونية: تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بتوصيلية إلكترونية ممتازة واستقرار حراري، ما يجعلها مثالية لتصنيع أجهزة EFET عالية الأداء. تُستخدم أجهزة المجال الإلكتروني، مثل أنابيب الصور، وشاشات الفلورسنت، وأجهزة الليزر الدقيقة، بشكل أساسي في الإلكترونيات الدقيقة والإلكترونيات الضوئية. وتحسّن هذه الخصائص للأنابيب النانوية الكربونية أداء انبعاثات هذه الأجهزة بشكل كبير.
أجهزة الاستشعار الإلكترونية: كما تستخدم الأنابيب النانوية الكربونية على نطاق واسع في أجهزة الاستشعار الإلكترونية. ونظراً لحساسيتها الفائقة، يمكنها استشعار التغيرات الفيزيائية الصغيرة في محيطها وتبقى مستقرة في ظل الظروف القاسية مثل درجات الحرارة العالية. وتكتسب الأنابيب النانوية الكربونية اهتمامًا متزايدًا كمادة استشعار جديدة، خاصة في مجال الإلكترونيات المرنة.
الشكل 5 مركبات الأنابيب النانوية الكربونية المصنوعة من أكسيد الكوبالت والمنغنيز لتحسين الأداء في أجهزة الاستشعار
الخلايا الشمسية: استُخدمت الأنابيب النانوية الكربونية أيضًا في الخلايا الشمسية وحققت نتائج ملحوظة. وعلى الرغم من أن التفاصيل المحددة لم يتم وصفها بالتفصيل في نتائج البحث، إلا أنه يمكن التكهن بأن تطبيقها في التأثيرات الكهروضوئية قد يعزز كفاءة الخلايا الشمسية واستقرارها.
4 الفوليرين
الفوليرين، وهو جزيء مجوف يتكون بالكامل من الكربون، وهو كروي أو بيضاوي الشكل أو عمودي أو أنبوبي. ويتشابه الفوليرين من الناحية الهيكلية مع الجرافيت الذي يتكون من طبقات من الجرافين مكدسة بحلقات سداسية الأعضاء، بينما لا يحتوي الفوليرين على حلقات سداسية الأعضاء فحسب، بل يحتوي أيضًا على حلقات خماسية الأعضاء وأحيانًا على حلقات سباعية الأعضاء. واعتمادًا على العدد الإجمالي لذرات الكربون، يمكن تصنيف الفوليرين إلى C20 وC60 وC70 وC76 وC80 وهكذا. من بينها، أصغر الفوليرين هو C20. وتمنحه بنية C60 الشبيهة بالقفص المتماثل للغاية ثباتًا عاليًا، وبالتالي فهو الأكثر دراسة على نطاق واسع في عائلة الفوليرين.
الشكل 6 هيكل الفوليرين
يعد الفوليرين أحد أهم المواد النانوية المحتوية على الكربون في السنوات الأخيرة بسبب بنيته الفريدة ذات الأبعاد الصفرية. وفي الوقت نفسه، تتمتع الفوليرين بخصائص بصرية خاصة وموصلية كهربائية وخصائص كيميائية مميزة، لذلك تم استخدام الفوليرين ومشتقاته على نطاق واسع في الكهرباء والضوء والمغناطيسية وعلوم المواد.
4.1 بنية الفوليرين وخصائصه
من الناحية الرياضية، تكون جميع مركبات الفوليرين مبنية على شكل متعدد الوجوه محدب بأوجه خماسية وسداسية. وأصغر الفوليرين هو C20 بتكوين ثنائي الأوجه ثنائي السطوح. لا توجد فوليرينات ذات 22 رأسًا، وبعد ذلك، توجد جميع الفوليرينات ذات C2n، ن=12، 13، 14، إلخ، وعدد الخماسيات في جميع تراكيب الفوليرين هو 12 وعدد السداسيات هو n-10.
بعد أن أصبح من الممكن إنتاج C60 بكميات كبيرة تم اكتشاف العديد من خواصه، وسرعان ما وجد Haddon وآخرون أن C60 المخدّر بالفلز القلوي له سلوك معدني، وفي عام 1991 وُجد أن C60 المخدّر بالبوتاسيوم له سلوك فائق التوصيل عند 18 كلفن وهذه أعلى درجة حرارة جزيئية فائقة التوصيل حتى الآن، وبعد ذلك، تم اكتشاف عدد كبير من خواص التوصيل الفائق للفوليرين المخدّر بالفلز. وقد تبيّن أن درجة حرارة الانتقال فائقة التوصيل تزداد مع زيادة حجم خلية الفوليرينات القلوية المطعمة بالفلزات القلوية. يمكن أن يشكل السيزيوم أكبر أيونات الفلزات القلوية، لذلك تمت دراسة مواد الفوليرين المطعمة بالسيزيوم على نطاق واسع، وتم الإبلاغ مؤخرًا عن خصائص التوصيل الفائق لـ Cs3C60As عند 38 كلفن ولكن عند ضغط مرتفع. المادة ذات أعلى درجة حرارة انتقالية فائقة التوصيل عند 33 كلفن عند الضغط الجوي هي Cs2RbC60. تشير نظرية BCS للموصلية الفائقة في المواد الصلبة C60 إلى أن درجة حرارة الانتقال فائقة التوصيل تزداد مع زيادة حجم الخلية لأن التباعد بين جزيئات C60 يرتبط بزيادة كثافة الحالات عند مستوى طاقة فيرمي N (εF)، ولذلك قام العلماء بقدر كبير من العمل في محاولة لزيادة المسافات بين جزيئات الفوليرين، على وجه الخصوص، عن طريق إدخال جزيئات متعادلة مدرجة في شبكة A3C60 لزيادة التباعد مع الحفاظ على تكافؤ C60 دون تغيير. ومع ذلك، فقد أسفرت تقنية الأمينة هذه بشكل غير متوقع عن خصائص جديدة ومميزة لمركبات إدراج الفوليرين: انتقال موت-هبارد والعلاقة بين الاتجاه/الترتيب الحيوي لجزيئات C60 والبنية المغناطيسية. تتكون المادة الصلبة C60 من قوى ضعيفة التفاعل، وبالتالي فهي مادة صلبة جزيئية وتحتفظ بخصائص الجزيء. وتنتشر مستويات الطاقة المنفصلة لجزيء C60 الحر بشكل ضعيف فقط في المادة الصلبة، مما يؤدي إلى وجود فجوة نطاق ضيقة غير متداخلة في المادة الصلبة تبلغ 0.5 فولت فقط. تكون المواد الصلبة C60 غير المخدرة C60 غير المخدرة، مع وجود نطاق 5 أضعاف hu كمستوى طاقة HOMO، ونطاق 3 أضعاف t1u كمستوى طاقة LUMO الفارغ، يكون هذا النظام محظور النطاق. ولكن عندما تكون المادة الصلبة C60 مخدرة بذرات معدنية، تعطي الذرات المعدنية إلكترونات نطاق t1u أو بعض إلكترونات نطاق t1g 3x لتحتلها، وأحيانًا تتخذ طابعًا فلزيًا. على الرغم من أن نطاق t1u الخاص به مشغول جزئيًا، فوفقًا لنظرية BCS، يجب أن يكون لنطاق t1u الخاص بـ A4C60 المشغول جزئيًا خصائص فلزية، لكنه عازل، ويمكن تفسير هذه المفارقة بتأثير Jahn-Teller، حيث يؤدي التشوه التلقائي لجزيء عالي التناظر إلى انقسام مداراته المتسلسلة وبالتالي اكتساب طاقة إلكترونية. هذا النوع من تفاعل Jahn-Teller من التفاعل بين الإلكترون والفونون قوي للغاية في المواد الصلبة C60 لدرجة أنه يمكن أن يعطل نمط نطاق التكافؤ لحالة تكافؤ معينة. تُعد الفجوات ذات النطاق الضيق أو التفاعلات الإلكترونية القوية والحالة الأرضية المكثفة مهمة لفهم وتفسير الموصلية الفائقة للمواد الصلبة الفوليرين. ينتج نموذج Mott-Hubbard البسيط حالات أرضية إلكترونية مترجمة عازلة عندما يكون التنافر الإلكتروني المتبادل أكبر من عرض النطاق الترددي، وهو ما يفسر غياب الموصلية الفائقة في المواد الصلبة C60 المخدرة بالسيزيوم عند الضغط الجوي. ويؤدي توطين إلكترونات t1u المدفوعة بالتفاعلات الإلكترونية خارج النقطة الحرجة إلى توليد عوازل موت، ويؤدي استخدام الضغط العالي إلى تقليل التباعد بين الفوليرينات بعضها البعض، وعند هذه النقطة تُظهر مادة C60 الصلبة المخدرة بالسيزيوم C60 الصلبة المخدرة بالسيزيوم ميتالية وموصلية فائقة.
لا توجد نظرية كاملة حول الموصلية الفائقة للمواد الصلبة C60، لكن نظرية BCS مقبولة على نطاق واسع لأن تفاعلات الإلكترونات القوية وتوصيلات Jahn-Teller للإلكترونات والفونونات يمكن أن تنتج أزواج إلكترونات تعطي درجات حرارة انتقالية عالية بين العازل والمعدن.
4.2 تطبيقات الفوليرين
المكثفات: للفوليرين تطبيقات مهمة في تصنيع المكثفات عالية الأداء بسبب توصيلها الكهربائي الجيد واستقرارها الكيميائي. يحسّن تركيبها الجزيئي الفريد من نوعه بشكل كبير من التوصيلية وكثافة تخزين الطاقة للأقطاب الكهربائية، مع تعزيز عمر الدورة وموثوقية المكثفات. إن المكثفات الفائقة المحسّنة بالفوليرين قادرة على تخزين وإطلاق كميات كبيرة من الكهرباء في فترة قصيرة مع أداء مستقر وفعال، وتستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية وأنظمة إدارة الطاقة، مما يوفر حلاً عالي الجودة لتخزين الطاقة الحديثة.
المادة اللاصقة الموصلة: يمكن استخدام الفوليرين لإعداد مواد لاصقة موصلة ذات أداء ممتاز، والتي تلعب دوراً مهماً في تثبيت المكونات الإلكترونية وتوصيلها. فهي توفر مسارات فعالة لنقل الإلكترون وتحسن التوصيل بشكل كبير. بالمقارنة مع المواد اللاصقة الموصلة التقليدية، تتمتع المواد اللاصقة الموصلة من الفوليرين بلزوجة وسيولة أعلى مع الحفاظ على التصاق ممتاز، وهي مناسبة لتجميع الأجهزة الإلكترونية الدقيقة مثل حزم الرقائق، ووصلات الدوائر المرنة، وما إلى ذلك، وتلبي الطلب على تطبيقات المواد اللاصقة الموصلة عالية الموثوقية.
الشكل 7 استخدامات ال FMNSs في المكثفات الفائقة. (أ) صورة SEM لأنابيب C60 ميكرومتر التي تم الحصول عليها عن طريق الكربنة بدرجة حرارة عالية؛ (ب) منحنيات تفريغ الشحن لمركبات الفوليرين/منومتر من مركبات الفوليرين/منومتر 2 (تُظهر الصورة الداخلية صورة SEM للمركبات)؛ (ج) منحنيات تفريغ الشحن لأنابيب C70 ميكرومتر التي تم الحصول عليها عن طريق تنشيط KOH (تُظهر الصورة الداخلية صورة SEM للمادة المسامية).
التطبيقات الإلكترونية الضوئية: تُظهر مادة الفوليرين، وهي مادة أساسية في الأجهزة الإلكترونية الضوئية، خصائص ممتازة لمستقبلات الإلكترون وأداءً ممتازًا لأشباه الموصلات من النوع n. كما أن احتمالية تعقيد الناقل المنخفضة والحركية العالية للإلكترونات تجعلها مادة مثالية لنقل الإلكترونات. يمكن أن تقترن جزيئات الفوليرين (على سبيل المثال، C60 أو C70) مع مواد أشباه الموصلات العضوية من النوع p لتحسين كفاءة فصل الشحنة واستقرار أداء الأجهزة بشكل فعال، والتي تستخدم على نطاق واسع في الخلايا الكهروضوئية العضوية (OPV) وترانزستورات التأثير الميداني العضوية (OFETs) وأجهزة الكشف الضوئي. في الخلايا الكهروضوئية العضوية (OPVs)، تعمل الفوليرينات كمستقبلات للإلكترونات لتعزيز كفاءة التحويل الكهروضوئي؛ وفي ترانزستورات التأثير الميداني العضوي (OFETs)، تُظهر ترانزستورات الفوليرين أداءً ممتازًا في البيئات الخاملة وهي مناسبة لمحركات العرض وأجهزة الكشف الضوئي؛ بالإضافة إلى ذلك، تعزز الفوليرين قدرات حقن الإلكترون ونقل التيار في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (OLEDs)، مما يوفر الدعم الفني لتطوير الأجهزة الإلكترونية الضوئية عالية الكفاءة.
5 الخلاصة
يؤكد استكشاف الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية والفوليرين على الإمكانات الهائلة للمواد القائمة على الكربون في تشكيل مستقبل الإلكترونيات. وقد أتاحت خصائصها الفريدة - سواءً كانت توصيلية الجرافين التي لا مثيل لها، أو المرونة الاستثنائية لأنابيب الكربون النانوية النانوية وقوة الشد التي تتمتع بها الأنابيب النانوية الكربونية أو السلوك الإلكتروني والفوليرين المميز - تحقيق اختراقات في تطبيقات متنوعة مثل الترانزستورات وأجهزة الاستشعار والمكثفات وأجهزة انبعاث الضوء. ومع استمرار تقدم تقنيات البحث والتصنيع، تعد هذه المواد بالتغلب على التحديات الحالية، مما يمهد الطريق لعصر جديد من الأنظمة الإلكترونية المبتكرة والفعالة والمستدامة. ومما لا شك فيه أن دمج هذه المواد في التقنيات المتطورة سيدفع عجلة التقدم في مجالات تتراوح بين الطاقة المتجددة والجيل القادم من الحوسبة، مما يعزز الدور الأساسي للكربون في تطور الإلكترونيات الحديثة.
وتُعدّ Stanford Advanced Materials (SAM) مزوداً رئيسياً للمواد الكربونية عالية الجودة، حيث تدعم هذه التطبيقات المهمة بحلول مواد موثوقة.
المرجع
[1] وانغ لي، تشانغ ران ران، فانغ وي. محاكاة الخصائص الميكانيكية الثابتة والديناميكية للأنابيب النانوية الكربونية والأنابيب النانوية الكربونية ذات العيوب. Acta Phys. Sin., 2019, 68(16): 166101. doi: 10.7498/aps.68.20190594
[2] [1] [1] Xu T, Shen W, Huang W, et al.Fullerene Micro/Nanostructures: التركيب المتحكم فيه وتطبيقات الطاقة[J].Materials Today Nano, 2020.DOI:10.1016/j.mtnano.2020.100081.
قراءة ذات صلة:
