Enhanced structural and electrical properties of copper-substituted Lead Zirconate Titanate ceramics using impedance spectroscopy for device applications

في عالم الإلكترونيات الحديثة، من المستشعرات في السيارات إلى المحركات الصغيرة في الهواتف الذكية، توجد فئة من المواد تُعرف بالخزفيات (السيراميك) تلعب دوراً صامتاً ولكن حيوياً. هذه ليست أواني الطين المستخدمة في المطبخ، بل هي مواد هندسية متطورة قادرة على تحويل الكهرباء إلى حركة، أو الحركة إلى كهرباء. ومن أهم هذه المواد مادة تُسمى "تيتانات زركونات الرصاص"، وهي سيراميك يعمل كجسر بين الإشارات الكهربائية والقوة الفيزيائية. ويعتمد أداؤها بشكل كبير على بنيتها الداخلية، وتحديداً ترتيب ذراتها، والتي يمكن أن تتغير بين أنماط هندسية مختلفة اعتماداً على درجة الحرارة والتركيب. ولجعل هذه المواد تعمل بشكل أفضل في أجهزة معينة، غالباً ما يضيف العلماء كميات صغيرة من عناصر أخرى، وهي عملية تُعرف باسم "التطعيم". يشبه هذا الأمر إضافة رشة ملح إلى طبق لتغيير نكهته، ولكن الهدف هنا هو ضبط كيفية توصيل المادة للكهرباء أو تخزين الطاقة. ويكمن التحدي في فهم كيفية تغيير هذه الإضافات الصغيرة لسلوك المادة بدقة، خاصة عندما يتم تسخين المادة أو تبريدها، حيث تحدد هذه التغييرات ما إذا كان السيراميك سيكون مفيداً في جهاز واقعي.

لقد عكف فريق من الباحثين في جامعة سيدي محمد بن عبد الله في المغرب على استكشاف ما يحدث عندما يقومون بإدخال النحاس في سيراميك تيتانات زركونات الرصاص هذا. فقد صنعوا سلسلة من العينات حيث حل النحاس محل جزء صغير من ذرات الرصاص، واختبروا أربعة مستويات مختلفة من محتوى النحاس. وباستخدام طريقة تُسمى "عملية السول-جيل" (sol-gel process)، والتي تتضمن خلط مواد كيميائية سائلة لتكوين مسحوق صلب، قاموا بتخليق هذه المواد الجديدة. ثم ضغطوا المسحوق في أقراص مسطحة صغيرة وسخنوها إلى درجات حرارة عالية جداً لدمج الحبيبات معاً، مما خلق قطعاً سيراميكية صلبة. أراد الفريق معرفة كيف غير استبدال النحاس البنية الداخلية للمادة وقدرتها على توصيل الكهرباء، لا سيما مع تغير درجة الحرارة.

ولفهم بنية سيراميكياتهم الجديدة، نظر الباحثون أولاً إليها باستخدام حيود الأشعة السينية، وهي تقنية تكشف عن ترتيب الذرات داخل المادة. ووجدوا أن النحاس لم يدمر البنية الأساسية للمادة؛ بل حافظت السيراميكات على مزيج من نمطين ذريين محددين، أحدهما على شكل معين (rhombus) والآخر على شكل منشور رباعي (square prism). ويُعرف هذا المزيج بأنه نقطة مثالية للأداء في هذه الأنواع من المواد. ومع ذلك، كلما أضافوا المزيد من النحاس، أصبحت البلورات الصغيرة التي تتكون منها السيراميك أصغر حجماً. وقد قاس الباحثون حجم هذه البلورات ووجدوا اتجاهاً واضحاً: كلما زادت كمية النحاس المضافة، صغر حجم البلورات. وعندما نظروا إلى سطح السيراميك تحت المجهر، رأوا أن الحبيبات كانت كثيفة وغير منتظمة الشكل، لكن متوسط حجم هذه الحبيبات انكمش قليلاً مع زيادة محتوى النحاس. ويشير هذا الانخفاض في الحجم إلى أن ذرات النحاس تعيق الطريقة التي تنمو بها الحبيبات أثناء عملية التسخين، مما يجعلها أصغر وأكثر تماسكاً بشكل فعال.

ثم انتقل الفريق إلى دراسة كيفية استجابة المادة للحرارة والكهرباء. فقد قاموا بقياس مدى قدرة السيراميك على تخزين الطاقة الكهربائية، وهي خاصية تُسمى "ثابت العزل الكهربائي"، أثناء تسخينه. ولاحظوا أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد قدرة المادة على تخزين الطاقة حتى تصل إلى ذروة، ثم تنخفض بعدها. وقد انزاحت هذه الذروة إلى درجات حرارة أقل عند استخدام ترددات قياس أعلى، وهو سلوك يُعرف بـ "الرنين العزلي". تحدث هذه الظاهرة لأن الشحنات الكهربائية داخل المادة لا تستطيع مواكبة المجال الكهربائي الخارجي سريع التغير. كما قاس الباحثون مقدار الطاقة المفقودة كحرارة خلال هذه العملية، ووجدوا أن كمية الطاقة المفقودة تعتمد بشدة على درجة الحرارة وتردد الإشارة، حيث ترتفع الخسائر بشكل حاد عند نقاط معينة قبل أن تستقر.

ولعل الجزء الأكثر كشفاً في الدراسة تضمن قياس مقاومة المادة للكهرباء أثناء تسخينها. ومن خلال تحليل "المقاومة الكهربائية" (impedance)، وهي مقياس لمدى مقاومة المادة لتدفق التيار، استطاع الباحثون رؤية كيفية انتقال الكهرباء عبر حبيبات السيراميك. بالنسبة للعينات ذات المحتوى المنخفض من النحاس، انخفضت المقاومة مع زيادة درجة الحرارة، وهو سلوك يُعرف بـ "المعامل الحراري السالب للمقاومة". وهذا يعني أن المادة تصبح موصلة أفضل عندما تسخن. ومع ذلك، بالنسبة للعينة ذات المحتوى الأعلى من النحاس، انعكس السلوك: حيث زادت المقاومة مع ارتفاع درجة الحرارة، وهي ظاهرة تُسمى "المعامل الحراري الموجب للمقاومة". ويشير هذا التحول في السلوك إلى أن تطعيم النحاس قد غير بشكل جوهري طريقة انتقال الكهرباء عبر المادة.

ولفهم سبب حدوث ذلك، قام الباحثون بحساب "طاقة التنشيط"، وهي مقدار الطاقة المطلوبة لقفز الشحنات الكهربائية من مكان إلى آخر داخل المادة. ووجدوا أنه مع زيادة محتوى النحاس، تزداد أيضاً الطاقة المطلوبة لحركة هذه الشحنات. ويشير هذا إلى أن ذرات النحاس تخلق مساراً أكثر صعوبة لحوامل الشحنة الكهربائية، والتي يُرجح أنها "فجوات الأكسجين"، وهي ذرات أكسجين مفقودة تعمل كشحنات متحركة في هذا النوع من السيراميك. وتخلص الدراسة إلى أنه بينما يجعل إضافة النحاس البلورات أصغر ويغير الطاقة المطلوبة للتوصيل، فإنه يسمح أيضاً للعلماء بضبط السلوك الكهربائي للمادة. فمن خلال تعديل كمية النحاس، يمكنهم تحويل السيراميك من نوع من الاستجابة الكهربائية إلى نوع آخر، مما يوفر طريقة لتخصيص هذه المواد لتطبيقات محددة في المستشعرات والأجهزة الإلكترونية.