High-magnitude, spatially and directionally programmable, and sustained strain engineering of 2D semiconductors

تخيل عالماً لا تكون فيه المواد التي تشغل إلكترونياتنا كتلًا سميكة من السيليكون، بل طبقات رقيقة للغاية لدرجة أنها تتكون من طبقة واحدة فقط من الذرات. هذه المواد فائقة الرقة، المعروفة باسم أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد، قوية ومرنة بشكل مذهل، وقادرة على التمدد دون أن تنكسر. لقد عرف العلماء منذ زمن طويل أنه إذا قمت بشد مثل هذه المادة، يمكنك تغيير كيفية توصيلها للكهرباء وكيفية تفاعلها مع الضوء. يشبه هذا ما يحدث عندما يغير شد شريط مطاطي شكله، ولكن في هذه الصفائح الذرية، يعيد الشد فعلياً كتابة قواعد الطاقة الداخلية للمادة. وإذا استطاع المهندسون التحكم في هذا الشد بدقة، فقد يتمكنون من بناء حواسيب أسرع وخلايا شمسية أكثر كفاءة. ومع ذلك، وحتى الآن، كانت الطرق المستخدمة لشد هذه المواد خرقاء؛ فإما أن تشد المادة مقداراً ضئيلاً جداً، أو تشدها كثيراً ولكن لبضع ثوانٍ فقط قبل أن ترتد إلى شكلها الأصلي أو تفقد شكلها. لم تكن هناك طريقة للحفاظ على شد قوي في مكانه مع تحديد مكان الشد واتجاهه بدقة في آن واحد.

لقد نجح فريق من الباحثين الآن في حل هذه المشكلة عبر ابتكار طريقة جديدة لتثبيت هذه الصفائح الذرية في حالة تمدد لعدة أشهر في المرة الواحدة، مع تحكم كامل في عملية الشد. لقد حققوا ذلك عن طريق طباعة مناظر طبيعية مجهرية على سطح ما، ثم وضع الصفائح الذرية فوقها مثل شرشف يوضع فوق مرتبة. استخدم الباحثون تقنية طباعة خاصة يمكنها إنشاء وديان ثلاثية الأبعاد ذات أشكال دقيقة. أخذوا طبقة واحدة من مادة تسمى ثاني كبريتيد الموليبدينوم، وهي شبه موصل شائع، ونقلوها بعناقة فوق هذه الأسطح المطبوعة. ولأن المادة رقيقة ومرنة للغاية، فقد استقرت تماماً داخل الوديان، وتمددت لتناسب تضاريس السطح. ومن خلال تغيير عمق وعرض هذه الوديان، استطاع الفريق التحكم بدقة في مقدار تمدد المادة. وفي بعض المناطق، تمددت المادة بنسبة تقارب 2.2 بالمئة، وهي كمية كبيرة بالنسبة لمادة بهذا الرقة، وظل هذا التمدد مستقراً لأكثر من ثمانية أشهر.

تكمن قوة هذه الطريقة في دقتها. لم يكتفِ الباحثون بشد اللوح بأكمله بشكل متساوٍ فحسب، بل أنشأوا مشهداً يتغير فيه مقدار الشد تدريجياً من نقطة إلى أخرى. لقد رسموا هذا المسار ووجدوا أن الشد يتغير بنحو 0.1 بالمئة لكل ميكرومتر من المسافة عبر المادة. وهذا يعني أنه يمكنهم إنشاء تدرج سلس من الإجهاد، مما يسمح لأجزاء مختلفة من نفس اللوح الصغير بأن تسلك سلوكاً مختلفاً. وفي المناطق التي تمددت فيها المادة بأقصى قدر، قاس الباحثون تغيراً في فجوة الطاقة الخاصة بالمادة، وهي العتبة اللازمة لتدفق الكهرباء. ووجدوا أن فجوة الطاقة انزاحت بنحو 0.4 إلكترون فولت، أي ربع نطاق الطاقة الطبيعي للمادة. وهذا يؤكد أنه بمجرد تغيير شكل السطح الموجود تحت المادة، يمكنهم ضبط الخصائص الإلكترونية للمادة محلياً.

وبعيداً عن مجرد شد المادة في جميع الاتجاهات في وقت واحد، أظهر الفريق أيضاً قدرتهم على شدها في اتجاه واحد فقط. فمن خلال طباعة أخاديد طويلة تشبه الخنادق بدلاً من الوديان المستديرة، أجبروا المادة على التمدد على طول الخندق أكثر من تمددها عبر عرضه. وهذا أمر مهم لأن الشد في اتجاه واحد يغير خصائص المادة بشكل مختلف عن الشد في جميع الاتجاهات. وقد أثبتوا قدرتهم على وضع وادٍ مستدير وخندق طويل بجانب بعضهما البعض على نفس القطعة من المادة، مما يخلق بيئتين مختلفتين للشد جنباً إلى جنب. ففي الوادي المستدير، تمددت المادة بالتساوي في جميع الاتجاهات، بينما في الخندق، تمددت بشكل أساسي في اتجاه واحد. إن القدرة على برمجة كل من مقدار واتجاه الشد داخل لوح واحد تفتح آفاقاً جديدة لتصميم دوائر إلكترونية معقدة على مقياس مجهري.

كما اختبر الباحثون هذه الطريقة على حزمة مكونة من طبقتين مختلفتين من الصفائح الذرية، وهي مزيج من ثاني كبريتيد الموليبدينوم وثاني كبريتيد التنغستن. ووجدوا أن الطبقة السفلية، التي تلامس السطح المطبوع مباشرة، تمددت أكثر من الطبقة العلوية. حدث هذا لأن الطبقتين يمكنهما الانزلاق قليلاً فوق بعضهما البعض، وهي ظاهرة تُعرف باسم الانزلاق بين الطبقات. وتعد هذه الملاحظة بالغة الأهمية لأنها توضح أن الطريقة تعمل حتى مع مجموعات معقدة من المواد، والتي تُستخدم غالباً في بناء الأجهزة المتقدمة. وقد تحقق الفريق من نتائجهم باستخدام أدوات مختلفة؛ حيث استخدموا الليزر لقياس اهتزازات الذرات للتأكد من التمدد، واستخدموا مسباراً كهربائياً صغيراً لقياس مدى توصيل المادة للكهرباء. كما استخدموا عمليات محاكاة حاسوبية للتنبؤ بكيفية سلوك المادة، وجاءت قياساتهم الواقعية مطابقة لتلك التنبؤات بشكل وثيق.

إن أحد أهم جوانب هذا العمل هو استقرار النتائج. فبينما اعتمدت العديد من المحاولات السابقة لشد هذه المواد على قوى مؤقتة تتلاشى بسرعة، تحقق الباحثون في هذه الدراسة من عيناتهم مرة أخرى بعد أربعة أشهر ثم مرة أخرى بعد ثمانية أشهر. ظل التمدد كما هو تماماً، دون أي علامة على استرخاء المادة أو فقدانها لشكلها. ويشير هذا الاستقرار طويل الأمد إلى أن هذه الطريقة يمكن استخدامها لبناء أجهزة حقيقية تحتاج إلى العمل بموثوقية بمرور الوقت. وكانت المواد المستخدمة في طباعة المناظر الطبيعية المجهرية شفافة، مما سمح للباحثين بالنظر من خلالها وقياس الصفائح الذرية دون أي تداخل. وبينما المادة المستخدمة حالياً في الطباعة هي نوع من البوليمر، فقد أشار الباحثون إلى إمكانية استخدام تقنيات مماثلة مع مواد تتحول إلى زجاج، مما يجعل هذا النهج أكثر ملاءمة للأجهزة الإلكترونية المستقبلية.

يمثل هذا العمل تحولاً من مجرد مراقبة سلوك هذه المواد إلى تصميم سلوكها بشكل نشط. فمن خلال التعامل مع السطح الموجود تحت المادة كأداة قابلة للبرمجة، نجح الباحثون في هندسة الخصائص الإلكترونية والبصرية لهذه الصفائح بدقة عالية. لقد أثبتوا أنه من الممكن خلق تمدد قوي ودائم يمكن تخصيصه حسب الاحتياجات، سواء كان ذلك بشد المادة بالتساوي، أو شدها في اتجاه واحد، أو إنشاء تدرج سلس من الشد عبر سطح ما. هذا المستوى من التحكم يمكن أن يؤدي إلى تطوير أنواع جديدة من المستشعرات، والخلايا الشمسية، ورقائق الكمبيوتر التي تكون أخف وزناً، وأكثر كفاءة، وقادرة على أداء مهام مستحيلة حالياً باستخدام المواد التقليدية. إن القدرة على الحفاظ على هذه المواد في حالة تمدد لشهور دون أن ترتد إلى شكلها الأصلي تعني أن هذه الخصائص الهندسية ليست مجرد تجربة عابرة، بل هي ميزة متينة يمكن دمجها في الجيل القادم من التكنولوجيا.