Structural, optoelectronic, and thermoelectronic properties of transition-metal-based dichalcogenides MoX2 (X = S, Se, Te) as 2D semiconductors for photoelectronic applications

في عالم علوم المواد، يبحث الباحثون باستمرار عن مواد يمكن جعلها رقيقة للغاية، لتصل إلى سمك ورقة واحدة من الذرات. هذه المواد فائقة الرقة، والتي تُسمى غالباً بالمواد ثنائية الأبعاد، تتصرف بشكل مختلف عن نظيراتها الأكثر سمكاً وكتلية. فعندما يتم ضغط المادة لتصل إلى هذا المقياس، تصبح إلكتروناتها — وهي الجسيمات الصغيرة التي تحمل الكهرباء وطاقة الضوء — محصورة، مما يغير طريقة تفاعل المادة مع العالم من حولها. هذا التحول يسمح للعلماء بضبط خصائص مثل مدى جودة توصيلها للكهرباء أو مدى قدرتها على امتصاص ضوء الشمس. ومن بين أكثر المرشحين الواعدين لهذه التطبيقات هي عائلة من المركبات المكونة من ذرة معدنية "محشوة" بين طبقتين من عنصر مختلف. هذه المواد ليست مجرد فضول نظري؛ بل هي لبنات بناء محتملة للجيل القادم من الألوافة الشمسية، ومستشعرات الضوء، والأجهزة التي تحول الحرارة المهدرة إلى كهرباء. ويتمثل التحدي دائماً في إيجاد المزيج الصحيح من المكونات الذي يقدم التوازن المثالي بين الاستقرار، وامتصاص الضوء، والكفاءة الكهربائية.

لقد تعمق فريق من الباحثين من جامعة القصيم وجامعة طيبة في المملكة العربية السعودية في دراسة ثلاثة أنواع محددة من هذه العائلة، وجميعها تعتمد على معدن الموليبدينوم. وقد فحصوا ثلاث نسخ حيث تتكون الطبقات الخارجية من الكبريت، أو السيلينيوم، أو التيلوريوم. وباستخدام محاكاة حاسوبية قوية تنمذج سلوك الذرات والإلكترونات من المبادئ الأولى، رسم الفريق خارطة للخصائص الهيكلية والبصرية والحرارية لهذه المواد. كان هدفهم هو فهم كيف يؤدي استبدال أحد العناصر الخارجية بعنصر آخر إلى تغيير أداء المادة، مما يوفر دليلاً واضحاً حول النسخة الأنسب لتقنيات معينة. وتؤكد الدراسة أن النسخ الثلاث مستقرة وجاهزة للاستخدام المحتمل، لكن كل منها يروي قصة مختلفة قليلاً حول كيفية انتقال الضوء والحرارة من خلالها.

بدأ الباحثون ببناء نموذج رقمي للهيكل الذري لكل مادة. ووجدوا أنه في الحالات الثلاث، تترتب الذرات في نمط سداسي مسطح، مكونة "ساندوتش" مستقراً حيث تقع طبقة من الموليبدينوم بين طبقتين من العنصر الآخر. وحسب الفريق الطاقة المطلوبة لتماسك هذه الهياكل، ووجدوا أنها مستقرة ديناميكياً حرارياً، مما يعني أنها لن تتفكك تحت الظروف العادية. ومع انتقالهم من الكبريت إلى السيلينيوم وأخيراً إلى التيلوريوم، تباعدت الذرات بشكل طبيعي، مما جعل "خلية الوحدة" للمادة أكبر. وهذا التوسع هو نتيجة مباشرة لزيادة حجم الذرات الخارجية. وبالرغم من هذه الاختلافات في الحجم، ظل الهيكل الأساسي ثابتاً، مما يؤكد أن هذه المواد مرشحة قوية للأجهزة الواقعية.

بمجرد استقرار الهيكل، وجه الفريق اهتمامهم إلى الخصائص الإلكترونية، وتحديداً مقدار الطاقة اللازمة لدفع إلكترون من حالة الراحة إلى حالة يمكنه فيها توصيل الكهرباء. هذه الفجوة الطاقية أمر بالغ الأهمية لأنها تحدد نوع الضوء الذي يمكن للمادة امتصاصه. وكشفت عمليات المحاكاة أن جميع المواد الثلاث هي أشباه موصلات ذات "فجوة نطاق مباشرة"، وهو نوع محدد من البنية الإلكترونية التي تتميز بكفاءة عالية في التفاعل مع الضوء. وتتغير هذه الفجوة اعتماداً على العنصر الخارجي؛ ففي النسخة القائمة على الكبريت، تكون الفجوة هي الأوسع، بينما تمتلك النسخة القائمة على التيلوريوم أضيق فجوة. وهذا يعني أن المادة التي تحتوي على التيلوريوم يمكنها امتصاص الضوء منخفض الطاقة، بينما تتطلب نسخة الكبريت طاقة أعلى لتنشيطها. وقد استخدم الباحثون طريقة حسابية متطورة لضمان دقة هذه الأرقام، ووجدوا أن القيم تتوافق جيداً مع ما تم رصده تجريبياً في مواد مماثلة.

إن القدرة على امتصاص الضوء هي المجال الذي تظهر فيه هذه المواد وعوداً كبيرة للتطبيقات الكهروضوئية. فقد قامت المجموعة بمحاكاة استجابة المواد لألوان مختلفة من الضوء، من الطيف المرئي وصولاً إلى الأشعة فوق البنفسجية. ووجدوا أن النسخ الثلاث تمتص الضوء بقوة، لا سيما في منطقتي الضوء المرئي وفوق البنفسجي. هذا الامتصاص القوي يشير إلى أنه إذا استُخدمت هذه المواد في الخلايا الشمسية أو كواشف الضوء، فستكون فعالة جداً في التقاط الطاقة من الشمس أو مصادر الضوء الأخرى. وقد أظهرت المادة القائمة على التيلوريوم، بفجوتها الأضيق، قدرة خاصة على امتصاص الضوء عند مستويات طاقة منخفضة، بينما امتصت النسخة القائمة على الكبريت طاقة أعلى. كما بحثت الدراسة في كيفية انعكاس الضوء وكيفية توصيل المادة للكهرباء عند اصطدام الفوتونات بها، مؤكدة أن هذه الطبقات تستجيب بشدة للضوء، مما يجعلها مرشحة ممتازة للكواشف الضوئية وأنظمة الطاقة الشمسية.

بعيداً عن الضوء، استقصى الباحثون كيفية تعامل هذه المواد مع الحرارة والكهرباء، وهو مجال يُعرف بالكهرباء الحرارية (thermoelectrics). وهذا العلم يعنى بتحويل فروق درجات الحرارة مباشرة إلى جهد كهربائي. قام الفريق بمحاكاة كيفية انتقال الحرارة والشحنة الكهربائية عبر المواد عند درجات حرارة مختلفة. واكتشفوا أنه بينما توصل هذه المواد الكهرباء بشكل جيد، إلا أنها تعتبر موصلات سيئة للحرارة. هذا المزيج هو "الهدف المنشود" للأجهزة الكهروضوئية الحرارية، لأنك تريد للكهرباء أن تتدفق بحرية بينما تبقى الحرارة في مكانها لخلق فرق في الجهد. وقد أظهرت المادة القائمة على الكبريت، على وجه الخصوص، كفاءة عالية جداً في تحويل الحرارة إلى كهرباء، مع درجة أداء تشير إلى إمكانية كونها مرشحاً من الطراز الرفيع لحصاد الحرارة المهدرة. كما قدمت نسختَا السيلينيوم والتيلوريوم أداءً جيداً أيضاً، وإن كان أقل كفاءة قليلاً من نسخة الكبريت.

تخلص الدراسة إلى أن هذه المواد القائمة على الموليبدينوم ليست مستقرة فحسب، بل هي متعددة الاستخدامات للغاية. فمن خلال تغيير العنصر الخارجي ببساطة من الكبريت إلى السيلينيوم أو التيلوريوم، يمكن للمهندسين ضبط المادة لتمتص ألواناً مختلفة من الضوء أو لتعمل بشكل أفضل في تحويل الحرارة إلى طاقة. وتشير عمليات المحاكاة إلى أن نسخة الكبريت هي الأكثر كفاءة في تحويل الحرارة إلى كهرباء، بينما الثلاثة جميعها ممتازة في التقاط الضوء للتطبيقات الشمسية. ورغم أن هذه النتائج تأتي من نماذج حاسوبية، إلا أنها توفر خارطة طريق صلبة للباحلين التجريبيين الذين يمكنهم الآن التركيز على تخليق هذه الطبقات المحددة لبناء أجهزة حقيقية. ويسلط هذا العمل الضوء على أنه من خلال الاختيار الدقيق للمكونات الذرية، يمكننا تصميم مواد ملائمة تماماً لتقنيات الطاقة والإلكترونيات المستقبلية.