Structural, Optical, Dielectric and Ferroelectric Studies of Yttrium Oxide Nanoparticles Synthesised by Hydrothermal Method

في عالم علم المواد، يبحث الباحثون غالبًا عن مواد يمكنها التفاعل مع الضوء والكهرباء بطرق محددة للغاية. تخيل مادة ليست قوية ومستقرة فحسب، بل تمتلك أيضًا القدرة الفريدة على ثني الضوء أو تخزين الطاقة الكهربائية دون فقدان الكثير منها. إحدى هذه المواد هي أكسيد الإيتريوم، وهو مركب مكون من الإيتريوم والأكسجين. وبينما تُعرف هذه المادة باستقرارها وفائدتها في كل شيء، من الشاشات عالية التقنية إلى الأدوات الطبية، يحاول العلماء باستمرار فهم كيفية سلوكها عندما يتم تفكيكها إلى قطع مجهرية دقيقة. عندما تتقلص المادة إلى مقياس الجسيمات النانوية، يمكن أن تتغير خصائصها بشكل كبير، مما يفتح آفاقًا جديدة للمستشعرات، والإلكترونيات المتقدمة، والأجهزة الطبية. والسؤال الجوهري هو ما إذا كان يمكن صنع هذه الجسيمات الصغيرة بطريقة تحافظ على سماتها المفيدة مع جعلها صغيرة بما يكفي لخلطها في مواد أخرى، مثل البلاستيك، لتطبيقات جديدة.

لقد شرع فريق من الباحثين في إنشاء جسيمات أكسيد الإيتريوم الصغيرة هذه باستخدام طريقة تتضمن تسخين محاليل مائية تحت الضغط، وهي عملية تُعرف باسم التخليق الحراري المائي (hydrothermal synthesis). وقد أضافوا عاملًا كيميائيًا خاصًا للمساعدة في التحكم في حجم وشكل الجسيمات أثناء تشكلها، لضمان عدم تكتلها كثيرًا. كان الهدف هو إنتاج مادة نقية وعالية التنظيم يمكن اختبار قدرتها على التعامل مع الضوء والكهرباء. وبعد إنشاء العينة، فحصها العلماء بدقة باستخدام أدوات متنوعة لمعرفة ما صنعوه. استخدموا الأشعة السينية للنظر في الترتيب الداخلي للذرات، مما أكد أن الجسيمات هي بالفعل أكسيد الإيتريوم وأنها بلورات منظمة جيدًا. كما استخدموا مجاهر قوية لالتقاط صور للسطح، مما كشف أن الجسيمات شكلت صفائح رقيقة ومسطحة تتراكم فوق بعضها البعض مثل كومة من البطاقات غير المنتظمة. كانت هذه الصفائح صغيرة جدًا، حيث يتراوح عرضها بين 100 و400 نانومتر، وكانت متراصة بإحكام مع وجود فجوات قليلة جدًا بينها.

عندما وجه الفريق اهتمامهم إلى كيفية تفاعل المادة مع الضوء، وجدوا بعض النتائج المثيرة للاهتمام. امتصت الجسيمات النانوية الضوء بقوة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية، وهي الضوء غير المرئي الذي يقع وراء الطرف البنفسجي لقوس قزح، لكنها ظلت شفافة تمامًا للأطوال الموجية للضوء المرئي الذي تراه العين البشرية. وتعد هذه الشفافية سمة قيمة للمواد المستخدمة في أشياء مثل السيراميك الليزري أو الفوسفور، وهي المواد التي تتوهج عند تعرضها للطاقة. ومن خلال تحليل كيفية امتصاص الضوء، حسب الباحثون الطاقة المطلوبة لتحريك الإلكترونات داخل المادة، ووجدوا قيمة تبلغ 3.87 إلكترون فولت. وهذه القيمة أقل مما يُلاحظ عادةً في الكتل الصلبة الكبيرة من نفس المادة، وهو فرق يعزوه الباحثون إلى العيوب الصغيرة ونقص ذرات الأكسجين على السطح. تخلق هذه العيوب مسارات تسمح للإلكترونات بالتحرك بسهولة أكبر، مما يؤدي فعليًا إلى تضييق فجوة الطاقة. كما توهجت المادة بضوء أزرق خافت عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية، وهي علامة على قفز الإلكترونات بين مستويات الطاقة الناتجة عن تلك العيوب في الأكسجين نفسها. ويشير سلوك التوهج هذا إلى أن المادة قد تكون مفيدة في صنع المستشعرات أو في التحفيز الضوئي، حيث يُستخدم الضوء لتسريع التفاعلات الكيميائية.

كما درست الدراسة كيفية تعامل المادة مع الكهرباء وتخزين الطاقة. فعندما طبق الباحثون مجالًا كهربائيًا بسرعات مختلفة، وجدوا أن قدرة المادة على تخزين الشحنة، والمعروفة باسم ثابت العزل الكهربائي، كانت في أعلى مستوياتها عند السرعات البطيئة وانخفضت مع تغير المجال بشكل أسرع. وفي المتوسط، سجلت المادة قيمة 5.68، وهي أقل مما هو موجود في النسخ الضخمة من نفس المادة. وفسر الباحثون ذلك بملاحظة أن الجسيمات الصغيرة تمتلك مساحة سطح هائلة مقارنة بحجمها، وأن المساحات بين الصفائح المتراكمة في العينة تعمل مثل جيوب صغيرة من الهواء، والتي لا تخزن الكهرباء بشكل جيد. ورغم ذلك، أظهرت المادة فقدانًا منخفضًا جدًا للطاقة، مما يعني أنها لم تهدر الكثير من الحرارة عند مرور الكهرباء من خلالها. وعندما اختبروا استجابة المادة لمجال كهربائي قوي بمرور الوقت، لم تظهر الذاكرة الدائمة القوية التي يمتلكها المغناطيس في بعض المواد؛ بل تصرفت كمادة "بارا-كهربائية" (paraelectric)، وهو أمر نموذجي لأكاسيد المعادن عند هذا المقياس. وهذا يعني أنها تستطيع تغيير حالتها الكهربائية بسرعة ولكنها لا تحتفظ بها بشكل دائم، وهي ميزة غالبًا ما تكون مرغوبة في المكونات الإلكترونية سريعة التبديل.

في الختام، يثبت هذا البحث أن جسيمات أكسيد الإيتريوم النانوية التي تم إنتاجها عبر هذه الطريقة المائية هي جسيمات عالية النقاء، جيدة الهيكلة، وتمتلك مزيجًا فريدًا من الخصائص البصرية والكهربائية. فهي شفافة للضوء المرئي، وتمتص الأشعة فوق البنفسجية بكفاءة، ويمكنها تخزين الطاقة الكهربائية بأقل قدر من الفقد. وهذه الخصائص تجعلها مرشحة قوية للاستخدام في الأجهزة البصرية المتقدمة، والمستشعرات، وكإضافات في المواد البوليمرية لتعزيز أدائها. ويؤكد هذا العمل أنه من خلال التحكم الدقيق في عملية التخليق، يمكن للعلماء تطويع هذه الجسيمات الصغيرة لتكون لبنات بناء فعالة للجيل القادم من تقنيات الإلكترونيات الضوئية والمركبات الوظيفية.