نیم‌رساناهای الماس‌پایه یک گام به جلو برداشتند.
آیا امروزه اهمیت الماس به عنوان یک نیم‌رسانا به درستی درک شده است؟ این سنگ قیمتی یک نیم‌رسانای عالی است و اخیراً برخی از کمپانی‌‌‌‌های تولید نیم‌رساناها به بررسی بیشتر و استفاده از آن روی آورده اند. یکی از این کمپانی‌‌‌‌ها آخان (AKHAN) نام دارد. کمپانی آخان اعلام کرده که عصر امروز در حوزهی نیم‌رساناها باید «عصر الماس» نامیده شود.
الماس یکی از آلوتروپ‌های کربن است که در فشار بالا و مدت زمان طولانی در زیر سطح زمین ساخته میشود. این سنگ گرانبها سخت‌ترین مادهی شناخته شده در روی زمین است. هم اکنون از الماس در صنایعی مانند برشکاری، ساخت ابزارهای بسیار دقیق نوری و جواهرسازی استفاده میشود. اما مدتی است که زمزمه‌هایی مبنی بر استفاده از الماس به عنوان نیم‌رسانا به گوش می‌رسد.
نیم‌رساناها موادی هستند که در حالت عادی نسبت به الکتریسیته نارسانا هستند، اما اگر آنها را به وسیلهی اتمهای مادهی دیگری آلاییده کنیم، یعنی در حقیقت در آنها ناخالصی ایجاد کنیم، رسانایی این مواد بالا می‌رود. یکی از رایج‌ترین نیم‌رساناهایی که امروزه استفاده میشود، سیلیکون است.
یکی از مهم ترین دلایلی که الماس را بر سایر مواد نیم‌رسانا، مانند سیلیکون برتری بخشیده، خواص حرارتی این سنگ گرانبها است. الماس در میان جامدات بالاترین رسانایی گرمایی را دارد و هدایت حرارتی آن پنج برابر مس است. اما متأسفانه ایجاد آلاییدگی در نیم‌رساناهای مبتنی بر الماس کار دشواری است. این دشواری هنگام ساخت نیم‌رسانای نوع n بیشتر است.
هم اکنون دانشگاه ویسکانسین-مدیسون (University of Wisconsin-Madison) و دانشگاه آرلینگتون تگزاس (University of Texas at Arlington) در یک همکاری مشترک قصد دارند در میان تک بلورهای الماس آلایش ایجاد کنند. آنها با بررسی روشهای مختلف برای رسیدن به این هدف، با خواصی که الماس به عنوان یک نیم‌رسانا دارد بیشتر آشنا می‌‌‌‌شوند.
تکنیک‌‌‌‌های کنونی آلایش الماس به این صورت هستند که ابتدا باید بلور را با عنصر بور پوشاند، سپس آن را تا دمای 1450 درجه‌‌‌ی سلسیوس حرارت داد. مشکلی که در این فرایند وجود دارد، چگونگی حذف پوشش بور در انتهای فرآیند است.
علاوه بر این، اثبات شده که این روش دربارهی الماسهایی با کریستال‌‌‌‌های لایه لایه، که به خوبی در هم پیوسته شده‌اند، بازدهی خوبی دارد. اما بازدهی این فرآیند دربارهی الماسهایی با ساختارهای چندگانه که در آنها ناکاملی یا بی‌نظمی وجود دارد، کافی نیست. به همین دلیل این نوع ساختارها به عنوان نیم‌رسانا محبوبیت چندانی ندارند و بیشتر کمپانی‌‌‌‌ها به دنبال الماسهایی با شبکه‌‌‌‌های بلوری یکپارچه هستند. تا پیش از این، یکی از روشهای آلایش الماس، این بود که ابتدا اتمهای بور به داخل آن تزریق شده و سپس در آنجا افزایش پیدا کنند. اما در این روش به امواج پرقدرت ماکروویو نیاز بود که همین امواج، ساختار بلوری الماس را دچار بی‌نظمی و ناکاملی می‌‌‌‌کردند.
اکنون محققان دانشگاه‌‌‌‌های ویسکانسین-مدیسون و آرلینگتون تگزاس بر اساس مقاله‌ای که در ژورنال فیزیک کاربردی (Journal of Applied Physics) منتشر کردند، روشی تازه را برای آلایش تک بلورهای الماس با عنصر بور در دمای نسبتاً پایین یافته‌اند.
بر اساس این مقاله، مادهی مهمی که پژوهشگران به وسیلهی آن مشکل خود را حل کرده‌اند، سیلیکون است. محققان دریافتند که اگر یک بلور الماس را با یک سیلیکون که به وسیلهی بور آلاییده شده است، پیوند داده و سپس این مواد را تا دمای 800 درجه‌‌‌ی سانتی‌گراد حرارت بدهند، اتمهای بور از سیلیکون به الماس مهاجرت می‌‌‌‌کنند و به بلورهای الماس الصاق می‌‌‌‌شوند. مهاجرت اتم‌‌‌‌ها به این دلیل اتفاق می‌‌‌‌افتد که اتمهای کربن از الماس تغییر مکان می‌‌‌‌دهند تا ناکاملی‌‌‌‌های شبکهی بلوری را پر کنند. پس از حرکت آنها، مکان اولیشان خالی میشود و اتمهای بور می‌‌‌‌توانند در این مکان‌‌‌‌های خالی جایگزین شوند.
شاید ویژگی کلیدی این روش، آلاییدگی انتخابی در آن باشد که امکان کنترل هرچه بیشتر را در هنگام تولید ابزارهای نیم‌رسانا فراهم می‌‌‌‌کند. ساخت یک الماس با مجموعه ای از ویژگی‌‌‌‌های خاص به وسیلهی پیوند نقطه‌‌‌ی خاصی از آن با سیلیکون میسر شده است. ممکن است با تغییر عنصر پیوندی و یا با تغییر مکان پیوند، بتوان به ویژگی‌‌‌‌های مختلف دیگری رسید و آلاییدگی را در مسیر کاملاً انتخابی پیش برد.
البته با این روش میتوان نیم‌رساناهایی از جنس الماس از نوع p تولید کرد و این فرآیند در تولید نیم‌رسانای نوع n موفق نبوده است. به این ترتیب ساخت نیم‌رساناهای الماس از نوع n همچنان دشوار و دور از دسترس است. اگر محققان بخواهند ابزاری مانند ترانزیستور بسازند، ناچارند بر این مانع غلبه کنند. اما در حال حاضر هدف آنها تنها ساخت یک ابزار ساده با استفاده از کریستال الماس نیمه‌‌‌‌هادی از نوع p است.
ژنگ کوئینگ ما (Zhengqiang Ma)، یکی از محققانی که در این پروژه حضور داشته می‌‌‌‌گوید: «به عقیده‌‌‌ی من ما توانسته‌ایم روشی ساده، کم هزینه و مؤثر برای آلایش الماس بیابیم. ساخت نیم‌رسانای نوع p گام مهمی محسوب میشود
و خود می‌‌‌‌تواند عاملی برای الهام بخشی به سایر پژوهشگران برای ساخت نیم‌رسانای الماس نوع n باشد.»
ورود الماس به حیطه‌ی نیم‌رساناها مستلزم رفع موانع بسیاری است. از جمله مهم‌ترین این موانع میتوان به قیمت بالای الماس طبیعی، یافتن الماسهایی با خلوص کافی و شبکهی بلوری منظم و عدم دستیابی به روشهای علمی موفق برای آلاییدگی نوع n الماس است. به طور کلی نیم‌رساناها دو نوع هستند:
• نوع n یا(negative) دهنده‌ی الکترون‌های آزاد که در آن تعداد الکترون‌های آزاد بیشتر از تعداد حفره‌های مثبت است.
• نوع p یا(positive) گیرنده‌ی الکترون‌های آزاد که در آن تعداد حفره‌های مثبت بیشتر از الکترون‌ها است.
برای ساخت بسیاری از ابزارهای الکترونیکی، به ویژه ترانزیستورها و دیودها از نیم‌رساناها به صورت ترکیبی استفاده میشود. یعنی در ساخت آن ها هم نیم‌رسانای نوع n به کار می‌رود و هم نیم‌رسانای نوع p. به همین دلیل لازم است روش‌هایی برای آلایش نوع n بلورهای الماس تأیید شوند تا الماس بتواند به حوزهی ابزارهای الکترونیکی راه پیدا کند.
منبع:
منابع مفید: