Structural, Optical properties of AlInGaN nanocrystalline through chemical route by CVD method

تعتمد الأجهزة الباعثة للضوء والإلكترونيات عالية القدرة على عائلة خاصة من المواد تُعرف باسم "النيتريدات". هذه المركبات تتكون عندما يرتبط النيتروجين بعناصر من مجموعة محددة في الجدول الدوري، مما يخلق بلورات يمكنها تحمل الحرارة الشديدة وإصدار الضوء بكفاءة عالية. ومن بين هذه المواد، يبرز مزيج يحتوي على الألمنيوم والإنديوم والجاليوم والنيتروجين لأنه يوفر مرونة فريدة؛ فمن خلال ضبط الكميات الدقيقة للألمنيوم والإنديوم داخل البلورة، يمكن للعلماء ضبط خصائص المادة لتناسب احتياجات مختلفة، مثل إنشاء الليزرات أو المصابيح الموفرة للطاقة، كل ذلك مع الحفاظ على استقرار البنية الداخلية. ومع ذلك، فإن نمو هذه المزيجات المعقدة في شكل بلورات صغيرة عالية الجودة هو أمر صعب للغاية، حيث تفضل المكونات المختلفة الارتباط عند درجات حرارة متفاوتة، مما يجعل من الصعب دمجها في مادة واحدة متجانسة دون خلق عيوب تفسد أداءها.

وقد سعى باحثون من كلية أكسفورد للهندسة وجامعة مدراس لحل هذه المشكلة عبر إنتاج بلورات صغيرة من هذا المزيج الرباعي باستخدام طريقة تسمى "الترسيب الكيميائي للبخار". وبدلاً من محاولة صهر المكونات معاً، بدأوا بمحلول سائل يحتوي على المعادن اللازمة مرتبطة بجزيء عضوي محدد. قاموا بتجفيف هذا المزيج ليصبح مسحوقاً صلباً ووضعوه داخل فرن أنبوبي. ومن خلال تسخين المسحوق إلى درجات حرارة تتراوح بين 750 و900 درجة مئوية مع تمرير غاز الأمونيا فوقه، أطلقوا تفاعلاً كيميائياً استبدل الأجزاء العضوية بالنيتروجين، تاركاً وراءه بلورات ألمنيوم-إنديوم-جاليوم-نيتريد المنشودة. ثم فحص الفريق النتائج لمعرفة كيفية تأثير درجة الحرارة على حجم وشكل وقدرة المادة الجديدة على إصدار الضوء.

وكشف التحليل أن العملية نجحت في إنشاء بلورات ذات بنية سداسية محددة، تشبه المعدن الطبيعي "الورتزيت". ومع زيادة درجة حرارة التسخين، تغيرت البلورات بطرق ملحوظة؛ فعند درجات الحرارة المنخفضة، شكلت المادة عناقيد أكبر تشبه الكرات، ولكن عندما رُفعت الحرارة إلى 900 درجة مئوية، تفككت هذه الهياكل إلى مجموعات أصغر بكثير من الجسيمات النانوية المتراصة بإحكام. وأظهرت القياسات أن متوسط حجم هذه الجسيمات انكمش من حوالي 20 نانومتر إلى 11 نانومتر مع ارتفاع درجة الحرارة. ويشير هذا التقلص في الحجم إلى أن الحرارة الأعلى تساعد الذرات على ترتيب نفسها في شكل أكثر تماسكاً ونظاماً، وهو أمر بالغ الأهمية لكي تعمل المادة بشكل جيد في الأجهزة الإلكترونية.

كما درست الدراسة بدقة كيفية اهتزاز الذرات وتفاعل المادة مع الضوء. وباستخدام تقنية تقيس طاقة الضوء المنعكس من العينة، أكد الفريق أن الألمنيوم والإنديوم قد اختلطا بنجاح في الشبكة البلورية. ورصدوا اهتزازات محددة أشارت إلى وجود مناطق غنية بالألمنيوم وأخرى غنية بالإنديوم داخل المادة. ومن المثير للاهتمام أنه عند أعلى درجات الحرارة، أصبحت الإشارات المرتبطة بالعناقيد الغنية بالإنديوم أقل وضوحاً، مما يشير إلى أن ذرات الإنديوم قد اندمجت بسلاسة أكبر في البنية البلورية الرئيسية بدلاً من تكوين جيوب منفصلة. وهذا الاندماج حيوي لأن من شأنه تقليل الإجهاد الداخلي الذي غالباً ما يسبب العيوب في هذا النوع من المواد.

وعندما اختبر الفريق كيفية توهج المادة تحت الأشعة فوق البنفسجية، وجدوا أنها تبعث ضوءاً أزرق ساطعاً. وقد تغير لون هذا الضوء قليلاً اعتماداً على درجة الحرارة التي نُميت عندها البلورات؛ حيث أرسلت العينات المصنوعة عند 800 درجة مئوية طولاً موجياً قدره 345 نانومتر، بينما انتقلت العينات المصنوعة عند درجات حرارة أعلى إلى 350 نانومتر. ويشير هذا التحول إلى أن مستويات الطاقة داخل البلورة قد تغيرت مع صقل البنية. كما لاحظ الباحثون بعض التوهجات الخافتة والأعرض عند أطوال موجية أطول، والتي عزوا سببها إلى بعض العيوب الطفيفة أو الشوائب المتبقية في العينة. وبالرغم من هذه العيوب الصغيرة، كانت النتيجة الأساسية هي انبعاث واضح وقوي بالقرب من نطاق الطاقة الطبيعي للمادة.

يبرهن هذا العمل على إمكانية تخليق بلورات نيتريد رباعية المكونات عالية الجودة باستخدام مسار كيميائي يسمح بالتحكم الدقيق في البنية النهائية. فمن خلال مجرد تعديل درجة حرارة النمو، استطاع الباحثون التحكم في حجم الجسيمات وتجانس الشبكة البلورية. وتشير النتائج إلى أن هذه الطريقة يمكن أن تكون مساراً عملياً نحو ابتكار مواد أفضل للأجهزة الإلكترونية الضوئية المستقبلية، مثل مصادر الضوء الأكثر كفاءة أو المستشعرات المتخصصة. إن القدرة على نمو هذه البلورات بقلة من العيوب وأحجام مضبوطة تفتح الباب أمام مزيد من التطوير في المجالات التي تتطلب مواد أشباه موصلات قوية وقابلة للضبط.