الفيزياء

عملية البناء المنضّد الغير متجانس

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

هل يمكننا تنمية غشاء بلورة أحادية لمادة معينة فوق ركيزة من بلورة أحادية لمادة مختلفة- عملية تسمى البناء المُنضَّد غير المتجانس؟ وعلى سبيل المثال، هل يمكننا تنمية بلورة أحادية من زرنيخ الألمنيوم على بلورة أحادية من زرنيخ الغاليوم؟ تمتلك المادتان نفس البنية البلورية، لكن وحدات الخلايا تختلف في الحجم.

تعتبر وحدة الخلية لـزرنيج الغاليوم AlAs (0.562 نانومتر) أصغر من تلك في زرنيج الغاليوم GaAs (0.565 نانومتر)، فإذا وُضعت طبقات من  زرنيج الألمينيوم فوق طبقات من زرنيج الغاليوم، فإنها لن تتطابق، ومع ارتباط ذرات الألمينيوم على سطح زرنيج الغاليوم، فإن روابط زرنيج الألمينيوم تستطيل من أجل التوافق مع روابط زرنيج الغاليوم في المسطح.

بتعبير آخر، يتشوه غشاء زرنيج الألمينيوم بحيث تتمدد وحدات خلايا زرنيج الألمينيوم وفق اتجاهين في مسطح الغشاء وتتقلص في الاتجاه العمودي عليه. يحافظ ذلك على حجم ثابت لوحدة الخلية كما يبين أعلى الشكل 2.6.

لا يمكن أن يستمر إلى ما لا نهاية نمو الطبقات الخاضعة للتشوه لأن ذلك يكلِّف طاقة لتشويه الغشاء كي يتلاءم مع الركيزة.ٍ وتزداد طاقة التشوه في الغشاء كلما زادت سماكة الغشاء قيد التنمية.

 

وعند نقطة معينة، يصبح مفضلاً طاقياً تخفيض طاقة التشوه من خلال تشكيل الانخلاعات غير المتطابقة (Van der Merwe 1962). يبين أسفل الشكل 2.6 مثالاً على طريقة واحدة يمكن فيها استرخاء التشوه، حيث يمتلك الغشاء صفاً قطرياً إضافياً من زرنيج الألمينيوم مقارنة مع ركيزة زرنيج الغاليوم.

لقد انكسر التطابق المثالي لـزرنيج الألمينيوم تحت التشوه مع زرنيج الغاليوم حيث أُضيفت صفيحة من زرنيج الألمينيوم، وأصبحت وحدة الخلية الوسطية بالتالي أصغر قليلاً. ومع نمو الغشاء إلى سماكة أكبر، تظهر انخلاعات أكثر فأكثر حتى الوصول إلى الاسترخاء الكامل لغشاء زرنيج الألمينيوم نحو حجم الخلية المكونية لـ زرنيج الألمينيوم النقي.

هناك سماكة حدية يبدأ فوقها ظهور الانخلاعات غير المتطابقة في الغشاء، فإذا قُيِّد نمو الغشاء المُنضَّد غير المتجانس إلى سماكات أقل من السماكة الحدية، فإننا نحصل على بلورة أحادية تتألف من طبقات من زرنيج الغاليوم يليها طبقات تحت التشوه من زرنيج الألمينيوم، أي بلورة أحادية مركبة صنعية.

اقترح ليو إيساكي (Leo Esaki) و ر. تسو (R. Tsu) في شركة أي بي م (IBM) أن بنىً متعددة الطبقات تتألف من مناطق متناوبة من أنصاف نواقل مختلفة يمكن أن تؤدي إلى مواد صنعية تختلف فيها الخواص الإلكترونية بشدة عن أنصاف النواقل العادية (Esaki and Tsu 1970).

وعلى سبيل المثال، تمتلك طبقات متعددة من أربع طبقات ذرية من زرنيج الألمينيوم تتناوب مع أربع طبقات ذرية من زرنيج الغاليوم فجوة طاقية تتغير دورياً كما يبين الشكل 3.6.

 

تُنَمّى الطبقات المتعددة بواسطة الفتح والإغلاق المتناوب للحواجب التي تَفتَح وتُغلِق حزمات الألمينيوم والغاليوم الجزيئية، ويُنَسّق توقيت الحواجب مع تذبذبات انعكاس انعراج الإلكترونات عالية الطاقة (RHEED) للحصول على طبقات متعددة ذات سطح بيني حاد بين طبقات زرنيج الغاليوم وزرنيج الألمينيوم.

يبين الشكل 4.6 صورة طبقات متعددة [(AlAs)2(GaAs)2]n بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ (تشير الصيغة الكيميائية إلى أن التتابع، طبقتين من AlAs يليها طبقتين من GaAs، يتكرر n مرة).

جرى تنمية الطبقات المتعددة باستعمال البناء المُنضَّد بواسطة الحزمة الجزيئية من قبل آرت غوسارد (Art Gossard) وحصل بيار بيتروف (Pierre Petroff) على الصورة عندما كان كلاهما يعملان في مختبرات بل. تبين الصورة بوضوح الطبقات المختلفة، وتبين المسطرة المُطبّقة على الشكل أن دورية الطبقات تقترب من تلك المتوقعة في تناوب وحدات خلايا من زرنيج الألمينيوم وزرنيج الغاليوم.

وتبرهن دراسات انعراج الأشعة السينية والإلكترونات أن هذه الطبقات المتعددة تعتبر تقريباً بلورات أحادية مثالية جرى تنميتها باستعمال البناء المُنضَّدعلى بلورة أحادية حجمية من زرنيج الغاليوم. هناك نوع من التمازج بين الغاليوم والألمينيوم عند السطح البيني، لكن ذلك يعتبر إنجازاً هاماً في تنمية بلورة طبقة ذرية تلو الأخرى مع تغيير التركيب الكيميائي والمحافظة على دورية مثالية نوعاً ما (McWhan 1985).

تستمر تقنيات تنمية الطبقات المتعددة بالتحسن حيث تُنمّى روتينياً، طبقة ذرية تلو الأخرى، طبقات متعددة من تنوع واسع من أنصاف النواقل والمعادن والعوازل. ولقد أوصلت هذه البحوث حول النمو طبقة تلو الأخرى إلى ترانزستورات تأثير الحقل FETs والترانزستورات ثنائية القطبية هجينة البنية HBTs تحت التشوه التي نوقشت أعلاه وإلى الصمّامات الثنائية المُصدرة للضوء وليزرات أنصاف النواقل في الصندوق 2.6.

تعتبر فجوة حزام الطاقة خاصية أساسية لنصف ناقل، وإذ تمتلك أنصاف نواقل مختلفة فجوات حزام طاقة مختلفة، فإن طبقات متعددة مؤلفة من أنصاف نواقل مختلفة تمتلك فجوات حزام طاقة تتزايد وتتناقص دورياً.

 

في المثال أعلاه، يتبدل حزام الطاقة في الطبقات المتعددة بين1.43 eV  (GaAs) و  2.16 eV (AlAs) كما يبين الشكل 3.6. وبالتشابه، تمتلك طبقات متعددة من السيليكون والجرمانيوم فجوات حزام طاقة تتبدل بين  1.2 eV و  0.667 eV(من أجل البقاء تحت السماكة الحدية لتشكيل الانخلاعات في معظم الطبقات المتعددة، تتناوب سبائك GaAlAs و SiGe مع GaAs و Si على التوالي).

تسمى البلورة الأحادية المؤلفة من مناطق من مواد مختلفة بالبنية غير المتجانسة التي تُظهر خواص جديدة لا تًظهرها المواد ثلاثية الأبعاد الطبيعية. وتُحتجز الإلكترونات في حزام نقل GaAs بين مناطق AlAs لأن زيادة الطاقة تًشكل حاجزاً عند السطح البيني بين GaAs و AlAs، فإذا كانت طاقة الإلكترون أقل من الحاجز، يكون محتبساً بين الحواجز. وتتشابه هذه الحالة مع مسار لعبة كرات البولينغ حيث تتدحرج كرات البولينغ المنفردة (الإلكترونات) على مسار خاص وتُمنع بواسطة الأقنية من القفز إلى مسار مجاور.

عندما تًحتبس الإلكترونات، تتحدد طاقاتها، وفق ميكانيك الكم، بقيم منفصلة، ويقال أنها تحتل آباراً ميكانيكية كمية. تكمن الطريقة التقليدية لتوضيح تأثير ميكانيك الكم هذا في اعتبار وتر مهتز تتقيد نهايتيه إلى حاجزين. ومن أجل إطالة الاهتزاز، يجب تحقيق عدد كامل من أنصاف طول الموجة بين الحاجزين.

أقام راي دينغل (Ray Dingle) وزملاؤه الدليل لأول مرة على احتباس الإلكترونات في البنية غير المتجانسة في مختبرات بل (Dingle et al. 1974). كانت البنية طبقية بحيث تُحتبس الإلكترونات فقط في الاتجاه العمودي على الحواجز وتكون حرة الحركة في المسطح. وتوفر القدرة على تنمية المواد طبقة طبقة طريقة جديدة للتحكم بخواصها بواسطة تأثيرات ميكانيك الكم.

تتناسب ناقلية نصف الناقل مع أجهزة الإشابة المُضافة، وكما ذًكر سابقاً، تتحدد حركية الإلكترونات بحقيقة أنها تنتثر عن ذرات عنصر الإشابة الثابتة. أثبت دينغل وزملاؤه عام 1978 أن الإشابة المًعدلة تعتبر طريقة بارعة في تحقيق زيادة كبيرة في حركية الإلكترونات  (Dingle et al. 1978)

ونظراً للتحكم الدقيق الذي توفره تكنولوجيا MBE، قاموا بتنمية طبقات متعددة حيث جرى ترسب أجهزة الإشابة فقط في المناطق على كل جانب من زرنيج الغاليوم حيث هاجرت الإلكترونات الناتجة إلى الآبار الكمية فيه وشكلت غاز إلكترونات ثنائي الأبعاد (2-DEG) يمكن أن تتحرك الالكترونات فيه بحرية وفق اتجاهين وتكون محتبسة وفق الاتجاه الثالث. وبما أن مراكز الانتثار لم تعد بعد في زرنيج الغاليوم، فإن حركية الإلكترونات تتزايد.

التقدم العلمي
‫‪اللقاحات القابلة للأكل..
اللقاحات القابلة للأكل تعد بديلا مناسبا للحصول على لقاحات آمنة وفعالة، وهي لقاحات تحتوي على مولد ضد صالح للتناول دول عدة تراهن على الطحالب الدقيقة المعدلة وراثيًا لتطوير لقاح لمرض كوفيد-19 صالح للأكل مستخدمة الهندسة الوراثية د. طارق قابيل أستاذ في كلية العلوم - جامعة القاهرة مصر
     منذ استشراء جائحة فيروس كورونا المستجد المسبب لجائحة كوفيد-19، هرعت كثير من المؤسسات الطبية وحكومات بعض الدول إلى تكثيف البحوث ودعم الدراسات الهادفة ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪إنشاء مستشفيات جديدة في ووهان
ع إبلاغ المستشفيات القائمة عن نقص في الأسرّة بسبب زيادة الطلب الناجم عن انتشار فيروس كورونا السريع، قررت الصين في 24 يناير البدء ببناء مستشفيات جديدة. بعد أقل من أسبوعين، فتحت أبواب المرافق الطبية الجديدة لاستقبال أول المرضى.
أنشئ مستشفيان جديدان في ووهان، عاصمة مقاطعة هوبي، في الأسبوع الأول من شهر فبراير. واستغرق الأمر أقل من أسبوعين للانتقال من وضع حجر الأساس في الموقع إلى البدء باستقبال أول المرضى. والمستشفيان الجديدان - مستشفى ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪لماذا تُسبب السمنةُ تفاقمَ مرض كوفيد-19؟
غطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر ومؤسسة هيسينغ-سيمونز Pulitzer Center.
بقلم:     ميريديث وادمان
ترجمة:  مي بورسلي
 
في ربيع هذا العام، بعد أيام من ظهور أعراض تشبه أعراض الإنفلونزا والحمى، وصل رجل إلى غرفة الطوارئ في المركز الطبي بجامعة فيرمونت Vermont Medical Center. كان شابا، في أواخر الثلاثينات من عمره، وكان يعشق زوجته وأطفاله الصغار. وكان يتمتع بصحة جيدة، وقد كرّس ساعات لا نهاية لها في إدارة ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪الفيروس التاجي يثير التخمينات حول موسم الإنفلونزا
قلم:    كيلي سيرفيك
ترجمة: مي بورسلي
تغطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر  Pulitzer Center ومؤسسة هايسنغ-سيمونز  Heising-Simons Foundation.
في شهر مارس 2020، بينما كان نصف الكرة الجنوبي يستعد لموسم الإنفلونزا الشتوي أثناء محاربة مرض كوفيد-19 COVID-19، وضعت شيريل كوهين Cheryl Cohen -عالمة الأوبئة، وزملاؤها في المعهد الوطني للأمراض المعدية National Institute for Communicable Diseases بجنوب إفريقيا اختصار: ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪كيف تقاوم العدوى باستعادة شباب جهازك المناعي
قلم:    غرايام لاوتون
ترجمة: محمد الرفاعي
اغسل يديك بعنايةٍ لعشرين ثانية، غطّ عطستك بمرفقك، تجنب ملامسة وجهك، ابقَ على مسافة مترٍ عن الآخرين، وكملجأ أخير ٍ، اعزل نفسك بعيداً عن الجميع لمدة أسبوعٍ مع ما تحتاج إليه من أغراض. وإذا أردت أن تتجنب فيروس كورونا المستجد، فكل هذه أفكارٌ جيدةٌ. لكن، في نهاية المطاف، خطُ الدفاع الذي يقف بينك وبين الإصابة بكوفيد 19 Covid-19 هو جهازك المناعي.
نعلم أن الجهاز المناعي يَضْعُفُ عندما نتقدم في ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪لقاح أكسفورد آمن ويحفز على الاستجابة المناعية
قلم:    كلير ويلسون، جيسيكا هامزيلو، آدم فوغان، كونارد كويلتي-هاربر، ليلى ليفربول
ترجمة: مي منصور بورسلي
آخر أخبار فيروس كورونا حتى 20 يوليو 2020 الساعة 5 مساء
 
لقاح أكسفورد المرشح للتطعيم ضد الفيروس التاجي يبدو آمنًا ويحفز على الاستجابة المناعية
اللقاح ضد الفيروس التاجي Coronavirus الذي طورته جامعة أكسفورد University of Oxford بالتعاون مع شركة الأدوية آسترازينيكا AstraZeneca آمنٌ وينشط الاستجابة المناعية لدى الأشخاص، ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪أشـــيــاء عــــلـــمـــــــني إيـاهـا العِلمُ
ندما تُعلّم أجهزة الحاسوب حل المعادلات المعقدة أو تشغيل الخوارزميات، تحاكي عملياتها الطرق التي يعمل بها العقل البشري. ومن ثم، يمكننا أن نتعلم مزيداً عن أنفسنا من الآلات. تتحدث الدكتورة كاميلا بانغ Camilla Pang مع إيمي باريت Amy Barrett عن الكيفية التي تستخدم بها العلم لفهم العالم من حولها ...
تصوير: ستيف سايرز Steve Sayers
شُخِّص اضطراب طيف التوحد Autism spectrum disorder لدى الدكتورة كاميلا بانغ عندما كانت في الثامنة من عمرها. وقد ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪عندما يُتخذ الغائط شكلاً للتمويه
ن هور BEN HOARE
إن إحدى الطرق المفيدة في الطبيعة لكي لا يصير حيوان لقمة سائغة لفريسته هي أن يبدو على هيئة شيء ليست له قيمة غذائية، والأفضل من ذلك أن يكون طعمُ هذا الشيء مقززاً. ويُطلق على هذا الشكل المعقد من الدفاع عن النفس اسم ‘التنكر’ Masquerade. ويقول خبير آليات التنكر الدكتور جون سكيلهورن John Skelhorn من جامعة نيوكاسل Newcastle University، إن التنكر يختلف عن التمويه القائم على التخفي. لنأخذ مثلا ‘ضفدع روث الطيور’ ثيلوديرما أسبيروم ... (قراءة المقال)