نجحت دراسة أجرتها جامعة رايس في حل عنق الزجاجة في تركيب محيطات الهاليد ثنائية الأبعاد من خلال التحكم في التبلور الديناميكي. في السنوات الأخيرة، يُعزى التحسن في كفاءة الخلايا الشمسية إلى حد كبير إلى استخدام مواد حصاد الضوء مثل الهاليدات المحيطة. ومع ذلك، فإن إنتاج هذه المواد على نطاق مستدام وواسع النطاق يظل مهمة معقدة.
تنتج العملية التي طورها مهندسو جامعة رايس والمتعاونون معها طبقات بلورية هاليدية محيطية ثنائية الأبعاد ذات سماكة ونقاء مثاليين من خلال التحكم الديناميكي في عملية التبلور - وهي خطوة حاسمة في ضمان استقرار الأجهزة الإلكترونية الضوئية والأجهزة الكهروضوئية. مصدر الصورة: تصوير جيف فيتلو/جامعة رايس
قام أديتيا موهيت، وهو مهندس كيميائي وجزيئي حيوي في جامعة رايس، ومتعاونون في جامعة نورث وسترن، وجامعة بنسلفانيا، وجامعة رين، بتطوير عملية يمكنها الحصول على طبقات أشباه الموصلات المضيئة ضوئيًا ثنائية الأبعاد بسماكة ونقاء مثاليين عن طريق التحكم في درجة الحرارة ومدة عملية التبلور.
وينبين لي هو طالب دراسات عليا في جامعة رايس ومؤلف مشارك لدراسة نشرت في مجلة Nature Synthesis. مصدر الصورة: تصوير جيف فيتلو/جامعة رايس
يمكن لهذه العملية، المعروفة باسم الحبس المكاني الذي يتم التحكم فيه حركيًا، أن تساعد في تحسين الاستقرار وتقليل تكلفة التقنيات الناشئة القائمة على محيط الهاليد، مثل الإلكترونيات الضوئية والخلايا الكهروضوئية.
التغلب على اختناقات التوليف
قال هو جين، طالب الدكتوراه في كلية جورج آر براون للهندسة بجامعة رايس والمؤلف الرئيسي لدراسة حول العملية المنشورة في مجلة Nature Synthesis: "إن إنتاج محيطات ثنائية الأبعاد بسماكة طبقة (أو سماكة البئر الكمومية، والمعروفة أيضًا باسم "القيم n") أكبر من 2 هو عنق الزجاجة الرئيسي". قيمة n أكبر من 4 تعني أن المادة بها فجوة نطاق أضيق وموصلية أعلى - وهي عوامل رئيسية للتطبيقات في الأجهزة الإلكترونية.
عندما تشكل الذرات أو الجزيئات بلورات، يتم ترتيبها في شبكة منتظمة عالية الترتيب. الجليد، على سبيل المثال، لديه 18 ترتيبًا أو مرحلة ذرية محتملة. مثل ذرات الهيدروجين والأكسجين في الجليد، يمكن للجسيمات التي تشكل محيط الهاليد أن تشكل مجموعة متنوعة من الترتيبات الشبكية. وبما أن خصائص المواد تعتمد على الطور، فقد هدف العلماء إلى تصنيع طبقات هاليد ثنائية الأبعاد تظهر طورًا واحدًا فقط طوال الوقت. لكن المشكلة هي أن طريقة التوليف التقليدية ذات القيمة n العالية ثنائية الأبعاد ستؤدي إلى نمو بلوري غير متساوٍ، مما يؤثر على موثوقية أداء المادة.
أديتيا موهيتي هو أستاذ مشارك في قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية ورئيس قسم مبادرة رايس لانتقال الطاقة وهندسة الاستدامة (REINVENTS). حقوق الصورة: أديتيا موهيتي/ بإذن من جامعة رايس
وقال هو: "في طرق التركيب المحيطي التقليدية ثنائية الأبعاد، تحصل على بلورات ذات مراحل مختلطة بسبب عدم التحكم في حركية التبلور، والتي هي في الأساس التفاعل الديناميكي بين درجة الحرارة والوقت". "لقد صممنا طريقة لإبطاء سرعة التبلور وضبط كل معلمة حركية تدريجيًا لتحقيق أفضل حالة لتخليق الطور النقي."
بالإضافة إلى ابتكار طريقة تركيبية تتيح زيادة تدريجية لقيم n لمحيطات الهاليد ثنائية الأبعاد، رسم الباحثون خريطة للعملية (أو مخطط الطور) من خلال التوصيف، والتحليل الطيفي البصري، والتعلم الآلي.
هو جين طالب دراسات عليا في جامعة رايس والمؤلف الأول لدراسة نشرت في مجلة Nature Synthesis.
يعمل هذا العمل على تطوير تخليق بلورات الكسوة ثنائية الأبعاد عالية الكم، مما يجعلها خيارًا قابلاً للتطبيق ومستقرًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
وقال موهيت، الأستاذ المساعد في الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية وعلوم المواد وهندسة النانو: "لقد طورنا طريقة جديدة لتحسين نقاء البلورات ومعالجة مشكلة طويلة الأمد في هذا المجال، وهي كيفية التعامل مع تخليق البلورات عالية النقاء والمرحلة". "لقد كان مختبر موهيت رائدًا في مجموعة متنوعة من الأساليب لتحسين جودة وأداء أشباه الموصلات الهاليدية المحيطة، بدءًا من معايرة المراحل الأولية للتبلور وحتى الضبط الدقيق لتصميم المذيبات."
يُعد هذا الإنجاز البحثي أمرًا بالغ الأهمية لتخليق البيريتيكتيك ثنائي الأبعاد، والذي يعد مفتاحًا لتحقيق الاستقرار التجاري للخلايا الشمسية، والعديد من تطبيقات الأجهزة الإلكترونية الضوئية الأخرى، والتفاعلات الأساسية مع المادة الضوئية.
تم التجميع من: سايتك ديلي