Experimental and Computational Investigation of Thermal Conductivity in Porous Silicon: Doping-Dependent Performance of Molecular Dynamics and Physics- Informed Neural Networks

يعد السيليكون العمود الفقري الصامت للإلكترونيات الحديثة، وهو المادة التي تشغل كل شيء من الهواتف الذكية إلى الألواح الشمسية. وفي شكله البلوري الصلب، يعد السيليكون موصلاً ممتازاً للحرارة، وهو أمر غالباً ما يشكل مشكلة للمهندسين الذين يحاولون منع الرقائق الحاسوبية الصغيرة من ارتفاع درجة حرارتها. ومع ذلك، عندما يتم تحويل السيليكون إلى مادة تشبه الإسفنج مليئة بالثقوب الصغيرة، تنخفض قدرته على توصيل الحرارة بشكل كبير. ويصبح هذا السيليكون المسامي عازلاً حرارياً، وهي خاصية تجعله قيماً للغاية لإنشاء أجهزة أكثر كفاءة في حصاد الطاقة وللحفاظ على الحرارة حيثما دعت الحاجة إليها. لقد كان التحدي الذي يواجه العلماء دائماً هو التنبؤ بدقة بمدى جودة عمل هذه المادة. وتعتمد الإجابة على مزيج معقد من العوامل: عدد الثقوب في المادة، وحجم تلك الثقوب، وكيفية ترتيب ذرات السيليكون حولها. ولأن البنية يمكن أن تختلف بشكل هائل اعتماداً على كيفية صنع المادة، فإن الصيغة البسيطة غالباً ما تفشل في تقديم الصورة الكاملة، مما يترك المهندسين في حالة تخمين بدلاً من الحساب.

لقد نجح فريق من الباحثين في جامعة تاراس شيفتشينكو الوطنية في كييف في معالجة حالة عدم اليقين هذه من خلال بناء جسر شامل بين العالم المجهري للذرات والعالم العياني لتدفق الحرارة. لم يعتمدوا على طريقة واحدة فقط لحل اللغز، بل دمجوا ثلاث مقاربات متميزة: تجارب من العالم الحقيقي، ومحاكاة حاسوبية تتبع حركة الذرات الفردية، ونوع جديد من الذكاء الاصطناعي المصمم لتعلم قوانين الفيزياء. بدأ الباحثون بإنشاء عيناتهم الخاصة من السيليكون المسامي؛ حيث أخذوا رقائق سيليكون قياسية واستخدموا حماماً كيميائياً مع تيار كهربائي لنحت المادة بعيداً، تاركين وراءهم بنية تشبه الإسفنج. ومن خلال ضبط قوة التيار الكهربائي بعناية، استطاعوا التحكم في كثافة الثقوب، مما خلق طبقات تتراوح مساميتها بين 48 بالمئة و75 بالمئة. ولرؤية ما صنعوه، فحصوا العينات تحت مجاهر قوية، مما كشف أن الثقوب شكلت أعمدة متميزة تمر عبر المادة، وهو شكل يميز السيليكون عالي التطعيم الذي بدأوا به.

ولقياس مدى جودة توصيل هذه المواد للحرارة، استخدم الفريق تقنية تسمى القياس الضوئي الصوتي. فقد سلطوا شعاع ليزر معدل على السيليكون، مما تسبب في تسخين سطح المادة وتبريده بسرعة. هذا التسخين الإيقاعي خلق موجات صوتية في الهواء فوق العينة، والتي استطاع ميكروفون حساس اكتشافها. ومن خلال تحليل قوة وتوقيت هذه الموجات الصوتية، تمكن الباحثون من حساب الموصلية الحرارية الدقيقة للطبقة المسامية دون لمسها. ووجدوا أن نقل الحرارة لا يتعلق فقط بعدد الثقوب، بل تحكمه بشكل أساسي عملية التطعيم الأولية لرقاقة السيليكون. فقد حدد مستوى التطعيم ما إذا كانت البنية الداخلية ستشكل شبكة عشوائية تشبه الإسفنج أو بنية عمودية أكثر تنظيماً. وهذا الاختلاف الهيكلي يعني أن نفس القدر من المسامية يمكن أن يؤدي إلى سلوكيات حرارية مختلفة تماماً اعتماداً على المادة الأصلية.

لفهم الفيزياء الكامنة وراء هذه القياسات، لجأ الباحثون إلى نموذجين حاسوبيين مختلفين. أولاً، استخدموا محاكاة الديناميكا الجزيئية، والتي تعمل مثل فيلم عالي السرعة يصور حركة الذرات وتصادمها. هذه الطريقة ممتازة لرؤي كيف تنتقل الحرارة عبر هياكل صغيرة ومحددة حيث تقوم حدود الثقوب بتشتيت الاهتزازات الحاملة للحرارة، والمعروفة باسم "الفونونات". وأظهرت عمليات المحاكاة أنه بالنسبة للعينات ذات الأعمدة عالية التطعيم، كان هذا التشتت على مستوى الذرة هو العامل المهيمن في تقليل تدفق الحرارة. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة بطيئة جداً لنمذجة الشبكات الكبيرة والمعقدة. ولأجل ذلك، استخدم الفريق الشبكات العصبية المستوحاة من الفيزياء، وهي شكل من أشكال الذكاء الاصطناعي الذي يتعلم حل معادلات الحرارة من خلال تعليمه القوانين الأساسية للديناميكا الحرارية. سمحت هذه المقاربة بنمذجة المسارات المعقدة والعشوائية للحرارة عبر الإسفنج المسامي، وتصوير كيفية تدفق الحرارة عبر الشبكة بأكملها بدلاً من مجرد جزء صغير منها.

كشفت نتائج هذه الجهود المشتركة عن صورة واضحة لسبب اختلاف الدراسات السابقة أحياناً. وجد الباحثون أن الخصائص الحرارية كانت محكومة بتركيز الناقلات في بلورة السيليكون الأصلية، والذي يتحكم في شكل المسام. ففي السيليكون منخفض التطعيم، شكلت المسام بنية متاهية عشوائية جعلت من الصعب جداً على الحرارة إيجاد مسار عبرها، مما أدى إلى انخفاض سريع في الموصلية. وفي المقابل، شكل السيليكون عالي التطعيم هياكل تشبه الأعمدة عملت كطرق سريعة للحرارة، مما سمح للحرارة بالتحرك بسهولة أكبر رغم وجود العديد من الثقوب. وقد طابقت محاكاة الديناميكا الجزيئية سلوك هذه العينات العمودية عالية التطعيم، بينما برعت نماذج الشبكة العصبية في التنبؤ بسلوك الهياكل العشوائية الشبيهة بالإسفنج الموجودة في التطعيم المنخفض. ومن خلال دمج بياناتهم التجريبية مع هذه المحاكاة والأدبيات الموجودة، استخدم الفريق تقنية رياضية تسمى "الانحدار الرمزي" لاستخلاص صيغة موحدة واحدة. وتتنبأ هذه الصيغة بدقة بالموصلية الحرارية للسيليكون المسامي بناءً على مساميته ودرجة حرارته، وتغطي نطاقاً واسعاً من درجة حرارة الغرفة حتى 900 كلفن.

إن هذا العمل لا يقدم مجرد رقم جديد للمهندسين لاستخدامه، بل يحل الارتباك طويل الأمد في هذا المجال من خلال إظهار أن تاريخ المادة يهم. فالقدر نفسه من المسامية يمكن أن يعطي نتائج مختلفة اعتماداً على كيفية نمو المادة. إن النهج الهجين للفريق، الذي يربط بين حركة الذرات الفردية وتدفق الحرارة عبر مادة كاملة، يقدم أداة موثوقة لتصميم أجهزة عزل حراري وأجهزة كهروحرارية أفضل. إن صيغتهم النهائية، التي تعمل عبر نطاق واسع من درجات الحرارة وكثافة الثقوب، تسمح بتنبؤات دقيقة دون الحاجة إلى تجارب مكلفة ومستهلكة للوقت لكل تصميم جديد. ومن خلال توضيح كيفية تفاعل البنية والتطعيم للتحكم في الحرارة، يوفر هذا البحث أساساً متيناً للجيل القادم من التقنيات القائمة على السيليكون، مما يضمن إدارة الحرارة بدقة حيثما دعت الحاجة إليها.