المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 6 - المواد الموصلة والعازلة
1 مقدمة
في مجال المواد الإلكترونية، يعد التمييز بين المواد الموصلة والعازلة أمرًا بالغ الأهمية لعمل مختلف الأجهزة الكهربائية والإلكترونية. فالمواد الموصّلة، بما في ذلك المعادن والسبائك والسيراميك الموصّل والموصّلات الفائقة، أساسية لنقل الطاقة بكفاءة والحوسبة عالية السرعة وتخزين الطاقة. تمكّن هذه المواد من التحكم في حركة الإلكترونات، مما يجعلها ضرورية لتشغيل الدوائر والأجهزة الكهربائية. من ناحية أخرى، تلعب المواد العازلة دورًا لا يقل أهمية في ضمان السلامة والاستقرار من خلال منع التدفق غير المرغوب فيه للتيارات الكهربائية وحماية المكونات الإلكترونية من التأثيرات الخارجية. يتطرق هذا القسم إلى الخصائص الأساسية للمواد الموصلة والعازلة وتطبيقاتها والتطورات التي طرأت عليها، مسلطًا الضوء على أدوارها الحيوية في التكنولوجيا الحديثة.
2 المواد الموصلة
2.1 المعادن والسبائك
تنبع التوصيلية الكهربائية العالية للمعادن والسبائك من خصائصها التركيبية الفريدة. فنظرًا لانخفاض طاقة التأين لذرات الفلزات، يمكن لإلكتروناتها الخارجية (إلكترونات التكافؤ) أن تنفصل بسهولة عن النواة لتكوين إلكترونات حرة، والتي يمكن أن تتحرك دون عائق في البنية الشبكية البلورية للمعدن وبالتالي توصيل التيار الكهربائي بكفاءة. وترتبط ذرات الفلزات بروابط فلزية لتكوين بنى بلورية كثيفة، مثل البنى المكعبة المتمركزة حول الجسم والمكعبة المتمركزة حول الوجه والسداسية المتقاربة. ويسمح هذا الترتيب الكثيف للنواة بتكوين بحر متواصل من الإلكترونات. ويرافق هذا البحر سحابة من الإلكترونات الحرة، مما يعزز التوصيلية الكهربائية والحرارية للمعدن. من ناحية أخرى، تعمل مواد السبائك على تحسين بنيتها المجهرية عن طريق إدخال عناصر معدنية أو غير معدنية مختلفة في المعدن الأساسي لتشكيل محاليل أو مركبات صلبة متجانسة أو غير متجانسة. من خلال آليات تقوية المحاليل الصلبة وتقوية الترسيب يمكن تعديل التوصيلية الكهربائية للسبائك، مع تعزيز قوتها الميكانيكية ومقاومتها للتآكل بشكل كبير، ما يجعلها قابلة للتكيف مع بيئات أكثر تعقيدًا واحتياجات أكثر تخصصًا.
الشكل 1 يمكن للإلكترونات الحرة أن تتحرك دون عوائق عبر البنية الشبكية للمعدن
تمتلك المعادن والسبائك مجموعة متنوعة من الخصائص المادية الممتازة كمواد موصلة. تُظهر الموصلات المعدنية مثل النحاس والفضة موصلية عالية للغاية بسبب كثافة الإلكترونات العالية والمقاومة المنخفضة لها، في حين أن المواد المصنوعة من السبائك عادةً ما تكون موصلية أقل قليلاً من المعادن النقية بسبب تشتت الإلكترونات الناجم عن الذرات المخدرة ولكن يمكن تحسين الأداء من خلال تحسين التركيب. وبالإضافة إلى ذلك، تنبع الموصلية الحرارية للمعادن من النقل الفعال للحرارة بواسطة الإلكترونات الحرة، وتستخدم المواد عالية التوصيل الحراري (مثل النحاس) على نطاق واسع في مجال تبديد الحرارة. يمكن للسبائك تحسين القوة والصلابة الميكانيكية والصلابة بشكل كبير مع الحفاظ على مستوى معين من التوصيل الكهربائي من خلال تعديل تركيبها ومعالجتها الحرارية. على سبيل المثال، تتمتع سبائك الألومنيوم بقوة شد ومتانة أفضل مقارنةً بالألومنيوم النقي وتستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الفضاء ونقل الطاقة. كما تتمتع بعض السبائك (مثل النحاس الأصفر والفولاذ المقاوم للصدأ) بمقاومة ممتازة للتآكل بسبب تكوين أغشية أكسيد السطح، في حين أن المعادن ذات درجة الانصهار العالية مثل التنغستن والموليبدينوم وسبائكها يمكنها الحفاظ على توصيل كهربائي جيد واستقرار هيكلي جيد في درجات الحرارة العالية، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في البيئات القاسية للمعدات الإلكترونية والكهربائية.
للمعادن ومواد السبائك مجموعة واسعة من التطبيقات النموذجية في مجال التوصيل الكهربائي. ويستخدم النحاس على نطاق واسع في الأسلاك والكابلات وموصلات ثنائي الفينيل متعدد الكلور والمشتتات الحرارية بسبب توصيلها الكهربائي والحراري العالي للغاية؛ أما الفضة فلها أعلى توصيل كهربائي ولكنها أكثر تكلفة وعادة ما تستخدم في الإلكترونيات المتطورة والخلايا الشمسية ومواد نقاط التلامس؛ ويستخدم الألومنيوم بشكل رئيسي في خطوط نقل الجهد العالي وكابلات الطيران بسبب خفة وزنه وتوصيله الكهربائي العالي وتكلفته المنخفضة. في مواد السبائك، سبائك النحاس (مثل النحاس الأصفر والبرونز) ذات الموصلية الكهربائية العالية والخصائص الميكانيكية الممتازة، وهي مناسبة لمواد التلامس الكهربائية، ومفاتيح الطاقة وأجهزة التدريع الكهرومغناطيسي؛ سبائك الألومنيوم ذات الوزن الخفيف والقوة العالية، وتستخدم على نطاق واسع في خطوط نقل الطاقة وموصلات الكابلات وإلكترونيات السيارات. تُستخدم سبائك النيكل والكروم (نيتشروم) بشكل شائع في عناصر التسخين ومواد المقاومة بسبب ثباتها في درجات الحرارة العالية؛ سبائك التنغستن والنحاس التي تجمع بين نقطة الانصهار العالية للتنغستن والتوصيلية العالية للنحاس، وهي مناسبة للتلامسات الكهربائية ذات درجة الحرارة العالية وفوهات محركات الصواريخ؛ سبائك الذهب التي تستخدم عادة في أسلاك توصيل أشباه الموصلات والموصلات عالية الموثوقية وغيرها من المجالات المتطورة بسبب خصائصها الممتازة المضادة للأكسدة والتوصيلية العالية.
الشكل 2 أسلاك معدنية مختلفة
2.2 السيراميك الموصّل
تنبع التوصيلية الكهربائية للسيراميك الموصّل من بنيتها البلورية الخاصة وآلية نقل الإلكترونات. وتحقق بعض السيراميك الموصّل التوصيلية من خلال هجرة الأيونات (مثل أكسيد الزركونيوم)، بينما يحقق البعض الآخر ذلك من خلال نقل الإلكترونات (مثل أكسيد التيتانيوم). وعن طريق تخدير معادن أو أكاسيد معينة (على سبيل المثال، أكسيد الزركونيوم المخدّر بالكالسيوم أو أكسيد الإنديوم المخدّر بالقصدير)، يمكن تغيير توصيلها بشكل كبير لزيادة تركيز الناقلات الحرة. وبالإضافة إلى ذلك، قد يكون للسيراميك الموصّل متعدد الكريستالات عيوب في حدود الحبيبات التي تؤثر على المسارات الموصلة، ولكن يمكن تحسين توصيلها وخصائصها الميكانيكية بشكل فعال من خلال عمليات التلبيد بدرجة حرارة عالية.
تجمع السيراميكيات الموصلة بين مقاومة درجات الحرارة العالية للمواد الخزفية التقليدية والخصائص الموصلة للمواد الموصلة للكهرباء، ويتميز أداؤها بمزايا متنوعة. للسيراميك الموصّل نطاق واسع من التوصيلية، من أشباه الموصلات إلى الموصلات الجيدة، ويتم تحديد الأداء المحدد حسب تركيبة المادة ودرجة التخدير. تحافظ السيراميك الموصلة على موصلية ثابتة في درجات الحرارة العالية وهي مناسبة للظروف القاسية. وبالإضافة إلى ذلك، تُظهر السيراميك الموصلة مقاومة أكبر للتآكل في البيئات الحمضية والقلوية مقارنةً بالمعادن. وعلى الرغم من هشاشتها، إلا أن صلابتها العالية وقوتها الانضغاطية تجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب منها تحمل الإجهاد الميكانيكي. كما تجمع بعض أنواع السيراميك الموصلة (مثل أكسيد قصدير الإنديوم أو ITO ) بين الشفافية والتوصيلية، مما يجعلها مثالية للأجهزة الإلكترونية الضوئية.
للسيراميك الموصل مجموعة واسعة من التطبيقات في مجال الإلكترونيات والطاقة والاستشعار. في مجال الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية، يُستخدم أكسيد قصدير الإنديوم (ITO ) على نطاق واسع كقطب كهربائي شفاف للشاشات التي تعمل باللمس وشاشات LCD وشاشات OLED نظرًا لشفافية توصيله، بينما يُستخدم أكسيد التيتانيوم (TiO2) في الخلايا الشمسية وأجهزة التحفيز الضوئي وأجهزة الاستشعار. في قطاع الطاقة، يُستخدم الزركونيا المطعّمة بالكالسيوم (CaZrO3) كمادة إلكتروليت في خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC)، بينما يُستخدم أكسيد الزنك (ZnO) في المتغيرات والأغشية الموصلة الشفافة. أما بالنسبة لدرجات الحرارة العالية والبيئات القاسية، فإن كربيد السيليكون (SiC ) ونتريد السيليكون (Si3N4) مناسبان لتصنيع الإلكترونيات عالية الحرارة والأجهزة عالية التردد ومكونات الفضاء. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم السيراميك الموصل على نطاق واسع في مستشعرات الغاز (مثل مستشعرات الأكسجين) ومقاومات الحرارة، وتتحقق الحماية من الكهرباء الساكنة في الأجهزة الإلكترونية عن طريق الطلاءات المصنوعة من مساحيق السيراميك الموصلة. توضح هذه التطبيقات المتنوعة أهمية السيراميك الموصل في التكنولوجيا الحديثة.
الشكل 3 فيلم ITO للوحات اللمس
2.3 الزجاج الموصل
يتكون هيكل الزجاج الموصّل عادةً من ركيزة زجاجية عالية الشفافية مركّبة مع طبقة موصلة على السطح، والتي تُستمد توصيلها بشكل أساسي من طبقة الأكسيد الموصّل الشفاف (TCO) التي تغطي السطح. وعادة ما تكون الركيزة الزجاجية مصنوعة من زجاج الصودا والجير أو زجاج الكوارتز، الذي يوفر قوة ميكانيكية وخصائص بصرية ممتازة؛ ويتكون الفيلم الموصل من مواد شائعة بما في ذلك أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) وأكسيد القصدير المطعّم بالفلور (FTO) وأ كسيد الزنك المطعّم بالألومنيوم (AZO) ، والتي يتم ترسيبها بواسطة عمليات مثل الرش بالفراغ أو الترسيب بالبخار الكيميائي (CVD)، وعادة ما يكون سمك الفيلم من عشرات النانومترات إلى مئات النانومترات. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن زيادة تركيز الناقل بشكل كبير من خلال تطعيم الأكاسيد بعناصر محددة (مثل القصدير أو الألومنيوم أو الفلور)، مما يعزز من توصيلية الأغشية.
يجمع الزجاج الموصّل بين الشفافية البصرية والتوصيلية الكهربائية، ويُظهر مجموعة متنوعة من الخصائص الممتازة. يمكن لفيلمه الموصل لنفاذية الضوء المرئي بنسبة تصل إلى 80% أو أكثر، مع الحفاظ على انعكاسية منخفضة، لتحقيق نفاذية عالية للضوء؛ موصلية الفيلم جيدة، وعادة ما تكون المقاومة بين 10^-3 إلى 10^-4 Ω-سم يمكن أن تلبي احتياجات معظم الأجهزة الإلكترونية. وتتمتع الركيزة الزجاجية بقوة ميكانيكية عالية ومقاومة للحرارة، والفيلم مرتبط بقوة بالركيزة ويمكن استخدامه في درجات حرارة عالية معينة. كما أن الأغشية الموصلة مقاومة للأكسدة والتآكل، مما يجعلها مناسبة للتعرض الطويل الأمد للبيئة. في السنوات الأخيرة، أصبح الزجاج الموصّل المرن نقطة بحثية ساخنة، مما أدى إلى توسيع سيناريوهات تطبيقه من خلال التصاميم القائمة على البلاستيك أو الزجاج الرقيق للغاية.
الشكل 4 الزجاج الموصل ITO
يستخدم الزجاج الموصل على نطاق واسع في العديد من المجالات نظرًا لخصائصه الفريدة. ففي مجال توليد الطاقة الكهروضوئية، يُستخدم كقطب كهربائي شفاف في الخلايا الشمسية (على سبيل المثال، الخلايا الشمسية السيليكونية والخلايا الشمسية الكالكوجينيد) لضمان كفاءة امتصاص الضوء وتجميع الشحنات؛ وفي تكنولوجيا شاشات العرض، يُستخدم كطبقة موصلة شفافة في شاشات العرض البلورية السائلة (LCDs) وشاشات الصمام الثنائي العضوي الباعث للضوء (OLED) وشاشات اللمس. وفي النوافذ الذكية وأجهزة التحكم في الضوء، يُستخدم الزجاج الموصّل في النوافذ الكهروضوئية ومرايا التحكم في الضوء وأجهزة التظليل الذكية لإدارة الطاقة وحماية الخصوصية. كما يُستخدم على نطاق واسع في تصنيع الأجهزة الإلكترونية مثل مستشعرات الغاز، والإلكترونيات المرنة، وزجاج التسخين، والزجاج المضاد للتكثيف. وفي مجال الأجهزة البصرية وأجهزة الاتصالات، يُستخدم الزجاج الموصل كطبقة عازلة موصلة شفافة في الأجهزة البصرية ذات الأغشية الرقيقة وأنظمة الاتصالات بالليزر.
2.4 المواد فائقة التوصيل
المواد فائقة التوصيل هي فئة من المواد التي تنخفض مقاومتها إلى الصفر عند درجة حرارة محددة وتُظهر مقاومة كاملة مضادة للمغناطيسية. ووفقاً لدرجات حرارتها الحرجة وخصائصها البنيوية، يمكن تقسيمها إلى الفئات التالية: المواد فائقة التوصيل في درجات الحرارة المنخفضة (LTS)، مثل النيوبيوم (Nb) وسبائك النيوبيوم-التيتانيوم (Nb-Ti) والنيوبيوم-تريس-تيرين (Nb3Sn ) ، والتي لها درجات حرارة حرجة منخفضة (عادةً أقل من 30 كلفن) وتتطلب هيليوم سائل أو نيتروجين سائل للتبريد وتستخدم على نطاق واسع في الأجهزة ذات المجال القوي مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ومسرعات الجسيمات. التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ودواسات غاز الجسيمات وغيرها من معدات المجال المغناطيسي القوي؛ والمواد فائقة التوصيل عالية الحرارة (HTS)، مثل الإيتريوم باريوم النحاس-الأكسجين النحاسي (YBCO) وبزموت السترونتيوم الكالسيوم النحاسي-الأكسجين (BSCCO)، بدرجات حرارة حرجة تتجاوز 77 كلفن والتي يمكن تبريدها بالنيتروجين السائل، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة التشغيل، وهي مناسبة لنقل الطاقة الكهربائية والرفع المغناطيسي عالي الحرارة; المواد فائقة التوصيل القائمة على الحديد، بما في ذلك السيلينيوم الحديدي (FeSe) وزرسينيد الحديد (LaFeAsOx) ₋xFx)، التي تتمتع بثبات هيكلي ومضاد مغناطيسي قوي، وهي مواد واعدة للأجهزة ذات المجال المغناطيسي العالي والمكونات الإلكترونية المستقبلية; المواد العضوية فائقة التوصيل العضوية، مثل تلك القائمة على الفوليرين (C60) أو المركبات العطرية، على الرغم من انخفاض درجة الحرارة الحرجة، فهي مرنة وخفيفة الوزن، ومناسبة للأجهزة الإلكترونية المرنة؛ المواد فائقة التوصيل الطوبولوجية، التي تجمع بين التوصيل الفائق والخصائص الطوبولوجية، مثل بعض العوازل الطوبولوجية والمواد ذات الأغشية الرقيقة الفوقية الفوقية، مع تطبيقات محتملة في الحوسبة الكمية والإلكترونيات الطوبولوجية.
الشكل 5 المواد فائقة التوصيل
تُظهِر المواد فائقة التوصيل الخصائص الفريدة التالية في التطبيقات الكهربائية: أولاً، المقاومة الصفرية هي خاصيتها الأساسية. ففي حالة التوصيل الفائق، تكون المقاومة في حالة التوصيل الفائق صفراً تماماً، ويمكن للتيار أن يتدفق عبر الموصل الفائق دون فقدان، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة، وهو ما يناسب بشكل خاص لنقل الطاقة لمسافات طويلة وتخزين الطاقة بكفاءة عالية. وثانيًا، تُظهر المواد فائقة التوصيل خاصية مضادة للمغناطيسية تمامًا (تأثير ميسنر)، أي في حالة التوصيل الفائق، يتم صد المجال المغناطيسي الداخلي تمامًا، مما يسمح لخطوط القوة المغناطيسية بتجاوز سطح الموصل الفائق. تُمكِّن هذه الخاصية الموصلات الفائقة من تحقيق رفع مستقر، وبالتالي تُستخدم على نطاق واسع في مجال قطارات الرفع المغناطيسي والمحامل عديمة الاحتكاك. وتحدّد درجة الحرارة الحرجة (Tc) للمادة فائقة التوصيل درجة الحرارة التي تحتاج إلى تبريدها للدخول في حالة التوصيل الفائق، والتي تختلف بشكل كبير من مادة إلى أخرى، على سبيل المثال، تحتاج المواد فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة المنخفضة إلى التبريد بواسطة الهيليوم السائل، بينما يمكن تبريد المواد فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية بواسطة النيتروجين السائل، مما يقلل من تكاليف التشغيل بشكل كبير. ويُعد المجال المغناطيسي الحرج (Hc) وكثافة التيار الحرجة (Jc) من المعلمات المهمة التي تحد من أداء الموصلية الفائقة. عندما تتجاوز قوة المجال المغناطيسي الخارجي أو كثافة التيار عبر الموصل الفائق القيمة الحرجة، يتم تدمير حالة التوصيل الفائق. وتُعد المواد ذات المعلمات الحرجة العالية أكثر ملاءمة لبيئات المجال المغناطيسي القوي وأجهزة التيار العالي مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ودواسات غاز الجسيمات. وبالإضافة إلى ذلك، تُظهر الموصلات الفائقة تأثير جوزيفسون، وهو تيار نفقي يتشكل بين الموصلات الفائقة من خلال العوازل. ولهذا التأثير تطبيقات مهمة في المستشعرات المغناطيسية فائقة الحساسية وأجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل (SQUIDs) والحوسبة الكمية. وتمنح هذه الخصائص المواد فائقة التوصيل إمكانات كبيرة لنقل الطاقة بكفاءة، وتطبيقات المجال المغناطيسي القوي، والتقنيات المتطورة.
تُستخدم المواد فائقة التوصيل في مجموعة واسعة من التطبيقات بسبب خصائصها الكهربائية الفريدة. ففي مجال الطاقة والكهرباء، تستخدم الكابلات فائقة التوصيل المقاومة الصفرية لتحقيق النقل لمسافات طويلة وتقليل فقد الطاقة بشكل كبير؛ كما تعمل المولدات فائقة التوصيل على تحسين كفاءة الطاقة وتقليل الحجم والوزن؛ ويمكن لأنظمة تخزين الطاقة فائقة التوصيل (SMES) تخزين وإطلاق كميات كبيرة من الطاقة في فترة قصيرة لتنظيم الشبكة واستقرارها. وفي مجال البحث الطبي والعلمي، تستخدم أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) موصلات فائقة منخفضة الحرارة لتوليد مجالات مغناطيسية قوية، وتستخدم المغناطيسات فائقة التوصيل في دواسات غاز الجسيمات (مثل مصادم الهادرونات الكبير) لتوليد مجالات مغناطيسية قوية، وتستخدم أجهزة قياس التداخل الكمي فائقة التوصيل (SQUIDs) في التصوير المغناطيسي المغناطيسي والسبر المغناطيسي الأرضي كمستشعرات مجال مغناطيسي حساسة للغاية. وفي مجال النقل والهندسة، تستخدم قطارات ماجليف فائقة التوصيل المغناطيسية في النقل فائق التوصيل المغناطيسي للنقل عالي السرعة بدون احتكاك، وتستخدم محامل ماجليف عالية الحرارة للأجزاء الدوارة غير التلامسية في الفضاء والآلات الصناعية. وفي مجال تكنولوجيا المعلومات، تعد المواد فائقة التوصيل في صميم الحوسبة الكمية، وقد عززت البتات الكمية فائقة التوصيل القائمة على تأثير جوزيفسون أبحاث الحوسبة الكمية، بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم الأجهزة الإلكترونية فائقة التوصيل مثل المرشحات فائقة التوصيل ومضخمات الترددات العالية على نطاق واسع في الاتصالات ومعالجة الإشارات. وفي المجالين العسكري والفضائي، تستخدم المدافع الكهرومغناطيسية فائقة التوصيل مغناطيسات فائقة التوصيل لتحقيق تسارع فعال، بينما يعزز الرادار فائق التوصيل حساسية الإشارة ودقة الكشف. توضح هذه التطبيقات الإمكانات الكبيرة للمواد فائقة التوصيل في مجالات الطاقة والطب والنقل وتكنولوجيا المعلومات والدفاع.
الشكل 6 استخدامات المواد فائقة التوصيل
3 المواد العازلة
3.1 المواد العازلة غير العضوية
العوازل غير العضوية هي فئة من المواد ذات مقاومة كهربائية عالية ومقاومة جيدة للحرارة وتستخدم على نطاق واسع في مجال العزل الكهربائي. تشمل العوازل غير العضوية النموذجية الزجاج والسيراميك والميكا. وتتكون النظارات بشكل أساسي من السيليكات (SiO2)، التي تشكل بنيتها الداخلية بنية غير متبلورة مستقرة بواسطة رباعي الأكسجين السيليكا-الأكسجين المترابطة تساهميًا والتي تمنع حركة الإلكترونات الحرة. وعادةً ما يتكون السيراميك من مواد مثل الألومينا (Al2O3) والزركونيا (ZrO2)، والتي تشكل بنية بلورية كثيفة ذات حركة إلكترونية منخفضة للغاية وتوصيل أيوني. من ناحية أخرى، تتكون الميكا من بنية سيليكات ذات طبقات سيليكات مع ترابط ضعيف بين الطبقات، مما يجعل من السهل معالجتها في صفائح رقيقة وتظهر عزلًا كهربائيًا ممتازًا واستقرارًا حراريًا.
وتتمتع المواد العازلة غير العضوية بسلسلة من الخصائص الممتازة التي تجعلها تستخدم على نطاق واسع في مجال العزل الكهربائي. أولاً، تتمتع بمقاومة عالية، عادةً ما تكون أعلى من 10^12 Ω-سم مكعب، والتي يمكن أن توقف تسرب التيار بشكل فعال وتضمن التشغيل الآمن والمستقر للمعدات الكهربائية. ثانيًا، المقاومة الجيدة للحرارة هي ميزة مهمة للعوازل غير العضوية. يمكن للزجاج والسيراميك تحمل درجات حرارة عالية تتراوح من مئات إلى آلاف الدرجات المئوية، بينما تحافظ الميكا على خصائص كهربائية مستقرة في درجات الحرارة العالية. تُعد القوة الميكانيكية العالية أيضًا ميزة كبيرة للمواد غير العضوية، ويتمتع السيراميك والزجاج بصلابة عالية ومقاومة للتآكل، وهي مناسبة للتطبيقات التي تتعرض لإجهاد ميكانيكي كبير؛ بينما تتمتع رقائق الميكا بدرجة معينة من المرونة، ويسهل معالجتها في مجموعة متنوعة من الأشكال. كما أن المواد العازلة غير العضوية مقاومة كيميائيًا، وقادرة على مقاومة تآكل الأحماض والقلويات والرطوبة، مما يدل على متانة جيدة في البيئات القاسية. وأخيرًا، يمكن لخصائص العزل الكهربائي الممتازة والقوة العازلة العالية للعوازل غير العضوية أن تتحمل الجهد العالي دون انهيار، لضمان السلامة في البيئات ذات الجهد العالي.
للمواد العازلة غير العضوية مجموعة واسعة من التطبيقات في العديد من المجالات. يُستخدم الزجاج بشكل أساسي في عوازل الجهد العالي في المعدات الكهربائية وأغلفة قواطع الدوائر الكهربائية المفرغة، بالإضافة إلى استخدامه كمادة تغليف للمعدات الإلكترونية لحماية المكونات. ويستخدم السيراميك على نطاق واسع كعوازل في المحولات والمفاتيح الكهربائية، مما يوفر خصائص عازلة جيدة وتبديد الحرارة. كما أنها تُستخدم أيضًا كركائز للمعدات عالية التردد ولصنع عوازل شمعات الإشعال والمكونات العازلة لخطوط الجهد العالي. من ناحية أخرى، يشيع استخدام الميكا كصفائح عازلة للمحركات والمولدات الكهربائية، وهي قادرة على تحمل درجات الحرارة والضغوط العالية. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامه لعزل عناصر التدفئة الكهربائية في معدات التدفئة وكمادة عازلة للمكثفات في الدوائر عالية التردد، مما يوفر عازلًا منخفض الخسارة.
الشكل 7 العزل المعدني غير العضوي
3.2 العزل بالبوليمر
بولي فينيل كلوريد الفينيل (PVC) هو مركب بوليمر يتكون من بلمرة مونومر كلوريد الفينيل، مع بنية سلسلة كلور الكربون الكلورية الخطية أو المتفرعة وثبات كيميائي قوي. يتميز بعزل كهربائي جيد ومقاومة كهربائية عالية، مما يمنع تسرب التيار الكهربائي. كما يتميز PVC أيضًا بمقاومة عالية للمواد الكيميائية مثل الأحماض والقلويات والأملاح، وكذلك للتآكل والمعالجة، مما يجعله مناسبًا للإنتاج بكميات كبيرة. ومع ذلك، فإن مقاومته للحرارة متوسطة، وعادةً ما تكون مناسبة لدرجات حرارة تتراوح بين -10 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية. يستخدم PVC على نطاق واسع في الغلاف الخارجي للكابلات والأسلاك، وعزل وحماية المعدات الكهربائية، وهو مناسب بشكل خاص للتطبيقات ذات الجهد المنخفض.
البولي إيميد (PI) هو مادة بوليمر ذات بنية حلقية صلبة، وتتكون السلسلة الرئيسية من مجموعات إيميد (-C=O-N-)، وتظهر قوة ميكانيكية عالية ومقاومة للحرارة. البوليميدات مقاومة للغاية للحرارة ويمكن استخدامها لفترات طويلة في درجات حرارة عالية تصل إلى 250 درجة مئوية أو حتى أعلى. إن عزلها الكهربائي الممتاز يجعلها مناسبة بشكل خاص للمعدات الكهربائية ذات الجهد العالي والتردد العالي. كما يتميز البوليميد أيضاً بقوة ميكانيكية جيدة ومقاومة للتآكل وثبات كيميائي ممتاز، ويمكنه تحمل معظم المذيبات الكيميائية. تشمل التطبيقات الشائعة الكابلات ذات درجات الحرارة العالية، والمعدات الكهربائية في مجال الطيران، ولوحات الدوائر المطبوعة (PCBs)، وعزل المكونات الإلكترونية.
بولي تترافلوروإيثيلين ( PTFE) هو مادة بوليمر خطية تتكون من بلمرة مونومرات رباعي فلورو الإيثيلين. وتسمح له السالبية الكهربية القوية لذرة الفلور بإظهار معاملات احتكاك منخفضة للغاية واستقرار كيميائي ممتاز. وتتميز مادة PTFE بثابت عازل كهربائي منخفض للغاية وعزل كهربائي متميز، مما يتيح استخدامها في البيئات عالية التردد والجهد العالي. ويتمتع بمقاومة كيميائية عالية جدًا لجميع المواد الكيميائية تقريبًا، بما في ذلك الأحماض والقواعد والمذيبات القوية. كما يتميز PTFE أيضًا بمقاومة جيدة للحرارة ويمكن استخدامه في درجات حرارة تتراوح بين -200 درجة مئوية إلى 260 درجة مئوية، بينما يُظهر مقاومة ممتازة للتآكل وخصائص احتكاك منخفضة. تشمل التطبيقات الشائعة الكابلات ذات الجهد العالي، وحماية العزل للمكونات الإلكترونية، ومواد التبطين للأنابيب الكيميائية، واحتياجات العزل للعمل في البيئات القاسية (مثل البيئات ذات درجات الحرارة العالية أو البيئات الحمضية أو القلوية القوية).
الشكل 8 المواد البلاستيكية المستخدمة في تغليف الأسلاك
4 الخلاصة
تخدم المواد التي تمت مناقشتها - الموصلة والعازلة - أدوارًا تكميلية ولكنها متميزة في تصميم الأجهزة الإلكترونية ووظائفها. توفر المواد الموصلة - من المعادن مثل النحاس والفضة إلى الموصلات الفائقة المبتكرة - توصيلًا كهربائيًا رائعًا وقوة ميكانيكية وخصائص إدارة حرارية، مما يجعلها لا غنى عنها في نقل الطاقة وتقنيات الاتصالات والأجهزة عالية الأداء. وعلى العكس من ذلك، توفر المواد العازلة، مثل المواد غير العضوية مثل السيراميك والبوليمرات مثل PTFE، عزلًا كهربائيًا أساسيًا ومقاومة حرارية ومتانة ميكانيكية. تضمن هذه المواد حماية الأنظمة الإلكترونية وكفاءتها وطول عمرها الافتراضي. ومع استمرار التقدم في علوم المواد، سيؤدي تطور كل من المواد الموصلة والعازلة إلى تحسين أداء الأنظمة الإلكترونية من الجيل التالي، مما يدفع عجلة الابتكار في قطاعات مثل الطاقة والاتصالات والرعاية الصحية والفضاء.
وتُعدّ Stanford Advanced Materials (SAM) مزوداً رئيسياً للمواد الموصلة والعازلة عالية الجودة، حيث تدعم هذه التطبيقات المهمة بحلول مواد موثوقة.
للمزيد من القراءة:
المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 1 - السيليكون
المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 2 - كربيد السيليكون
المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 1 - الجرمانيوم: الجزء 3 - الجرمانيوم
المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 3 - الجرمانيوم: الجزء 4 - مركبات الغاليوم
