צוות חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, בשיתוף חוקרים מיפן, הצליח לעשות צעד חשוב בדרך לאלקטרוניקה של העתיד: שליטה מדויקת במיוחד במבנה הפנימי של גרפן – חומר דק וחזק במיוחד – תוך שימוש בכמות אנרגיה זעירה, כמעט אפסית.

המחקר נערך בהובלת פרופ' משה בן שלום מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה, פרופ' מיכאל אורבך, ופרופ' עודד הוד מבית הספר לכימיה, ע"י דוקטור נירמל רוי, דוקטור פנגואה יינג, סימון סאיה אטרי, יואב שרעבי, נועם ראב, ודוקטור יונגקי יאו. המחקר פורסם בכתב העת נייצר ננוטכנולוגיה.

גרפן, שמורכב משכבה דקה של אטומי פחמן, נחשב כבר שנים ל"כוכב" של עולם החומרים. אבל מסתבר שלא רק החומר עצמו חשוב – אלא גם האופן שבו שכבות הגרפן מונחות זו על גבי זו. סידור שונה של השכבות יוצר תכונות שונות לגמרי: הולכה חשמלית אחרת, תגובה לשדות מגנטיים, ואפילו תנאים שמאפשרים הופעת מוליכות־על.

עד היום, שינוי מבוקר בין סידורי השכבות הללו היה תהליך מסובך, שדרש אנרגיה רבה ולא התאים ליישומים מעשיים. במחקר החדש הצליחו החוקרים להתגבר על המכשול הזה.

הפתרון שפיתחו מבוסס על רעיון חכם: יצירת "איים" זעירים של גרפן – בקוטר של עשרות ננומטרים בלבד – שבהם השכבות נוגעות זו בזו, בעוד שמסביבן הן מופרדות באמצעות שכבה שמאפשרת החלקה כמעט ללא חיכוך. בתוך האיים הללו ניתן "להחליק" שכבת גרפן אחת ביחס לאחרת, וכך לשנות את סידור השכבות.

התוצאה מרשימה במיוחד: שינוי מצב החומר מתבצע באמצעות כוח זעיר ביותר, והשקעת אנרגיה נמוכה בסדרי גודל מזו של טכנולוגיות זיכרון קיימות. במקרים רבים, ברגע שהשינוי מתחיל – הוא ממשיך מעצמו, בלי צורך בהפעלת כוח נוסף.

מעבר לכך, החוקרים הראו שאפשר לחבר בין איים סמוכים כך ששינוי במבנה של אי אחד משפיע גם על שכניו. המשמעות: ניתן לייצר מערכות שבהן אזורים שונים “מדברים” זה עם זה בצורה מכנית־אלסטית, בדומה לרשת עצבית. תכונה כזו עשויה להיות רלוונטית במיוחד לפיתוח מחשוב נוירומורפי – מחשבים שמחקים את אופן הפעולה של המוח.

לדברי החוקרים, השיטה החדשה פותחת אפשרויות חדשות לפיתוח רכיבי זיכרון, חיישנים והתקנים אלקטרוניים זעירים, מהירים וחסכוניים במיוחד באנרגיה. בעתיד, היא עשויה לאפשר בנייה של מערכות אלקטרוניות חכמות בקנה מידה ננומטרי – כאלה שצורכות פחות אנרגיה, מתחממות פחות, ויכולות לבצע פעולות מורכבות בדרכים שעד היום נראו תאורטיות בלבד.

פרופ' משה בן-שלום מסכם: "מדובר בפריצת דרך שעשויה לשנות את הדרך שבה מתכננים רכיבים אלקטרוניים בקנה מידה ננומטרי. אנחנו מראים שאפשר לשלוט במבנה של גרפן בצורה מדויקת, הפיכה וחסכונית בצורה קיצונית באנרגיה. במקום לשבור ולבנות מחדש קשרים כימיים, אנחנו פשוט מחליקים שכבות אטומים זו על גבי זו – תהליך טבעי, מהיר ויעיל בהרבה. היכולת לתכנן אינטראקציה בין אזורים שונים בחומר פותחת אפשרויות חדשות, לא רק לאלקטרוניקה מתקדמת אלא גם למערכות חישוב בהשראת המוח. זהו צעד נוסף בדרך להפוך תופעות פיזיקליות שנחשבו עד היום אקדמיות בלבד – לטכנולוגיה עובדת".

למאמר המדעי

הפוסט פיתוח חדש של אוניברסיטת ת"א: מתג ננומטרי חדש מגרפן – כמעט בלי אנרגיה הופיע לראשונה ב-Chiportal.