.

האם ניתן לייצר רכיבים אלקטרוניים שגודלם אינו עולה על זה של מולקולה בודדת? ואם נצליח לשלב רכיבים כאלה בתוך מעגלים חשמליים, האם הם יפעלו בדומה לחומרים המקובלים, הגדולים, או שאולי יהיו להם תכונות מיוחדות, שיאפשרו ליצור מערכות חדשות לחלוטין?

ד"ר אורן טל, שמקים בימים אלה את מעבדתו החדשה במחלקה לפיסיקה כימית בפקולטה לכימיה שבמכון ויצמן למדע, סבור שהדרך הנכונה לענות על השאלות האלה היא לחקור את ההיבטים הבסיסיים ביותר של הולכת אלקטרונים דרך מולקולות בודדות. "אנו מעוניינים להבין את העקרונות הבסיסיים של הולכת אלקטרונים דרך ננו-מבנים. מולקולות הן ננו-מבנים מעניינים במיוחד, שכן ניתן לשלוט בצורה טובה במבנה המולקולה, בהרכבה האטומי ובאופי הקשר בין האטומים. תכונה זו מאפשרת לנו לחקור את הקשר בין מבנה המולקולה להתנהגות זרם האלקטרונים העובר דרכה. הבנה עמוקה של הקשר בין מבנה להולכה תאפשר לנו לשלוט בזרם האלקטרוני בסקאלה הננומטרית, ואף עשויה להוביל, בעתיד, לפריצות דרך טכנולוגיות. בנוסף, ייתכן שבמהלך המחקר אף נלמד דברים חדשים על העולם בו אנו חיים", אומר ד"ר טל.
כדי לחקור את המולקולות, על ד"ר טל לתפוס אותן תחילה. לצורך כך הוא משחרר מולקולות לתוך חלל של תא ריק (ואקום), שמקורר לטמפרטורה של ארבע מעלות מעל האפס המוחלט (269 מעלות צלסיוס מתחת לאפס). מלכודת המולקולות שלו עשויה מחוט מתכת המחובר לבסיס גמיש. כשהבסיס נדחף מלמטה הוא מתכופף, החוט נמתח ונקרע בנקודה מסוימת – שהייתה חלשה מראש. בעקבות זאת נפתח רווח בין שני מקטעי החוט, שגודלו מאפשר כניסת מולקולה אחת.
באמצעות מדידת הזרם העובר דרך החוט יכול ד"ר טל לדעת אם נתפסה מולקולה ברווח בין מקטעי החוט (האלקטרודות), ולבדוק מה קורה לה כשאלקטרונים עוברים דרכה. מכיוון שהבסיס המתכופף מאפשר לשלוט במרחק בין האלקטרודות בדיוק מסדר גודל של מאית האנגסטרום (אנגסטרום היא עשירית מיליונית המילימטר), ניתן למתוח את הגשר המולקולרי שנוצר, ולבחון את השפעת המתיחה על ההולכה ואף על תנודות המולקולה. למעשה, המולקולה שנלכדה הופכת לחלק ממעגל חשמלי שכולל את המולקולה ושתי האלקטרודות. כיצד משפיעה המולקולה על זרם האלקטרונים במעגל החשמלי? האם תכונות המולקולה משתנות, או תכונות האלקטרודות?
המולקולות בניסויים של ד"ר טל נקשרות ישירות לאלקטרודות, ובמקרים רבים, לאופי הקשר הכימי שנוצר יש השפעה נכבדה על תכונות ההולכה של הגשר המולקולרי.
במחקרו הבתר-דוקטוריאלי חקר ד"ר טל מולקולות פשוטות, כגון מימן מים ובנזן. מאז, ד"ר טל ותלמידי המחקר במעבדתו, תמר ילין ורן ורדימון, התקדמו למולקולות מורכבות יותר, הקרויות אוליגואצנים (oligoacenes), אשר מורכבות מיחידות חוזרות של טבעות פחמניות. המולקולה הבסיסית ביותר במשפחה הזאת, בנזן, היא טבעת פשוטה המכילה שישה אטומי פחמן. מולקולת הבנזן גולשת אל בין האלקטרודות בניצב אליהן, ובזמן מתיחת הגשר המולקולרי היא נוטה על צידה, כך שהחפיפה עם האלקטרודות קטנה. תנועה זו משנה את מוליכות המולקולה, באופן דומה לעמעם. השימוש באוליגואצנים מאפשר לחקור את התנאים בהם ההולכה של הגשר המולקולרי גבוהה כשל הולכת אטומי מתכת.
מה גורם לגשר המולקולרי להיות מוליך טוב או רע יותר? במילים אחרות, מה קובע את מעבר אלקטרונים דרכו? כל גשר מולקולרי מגביל את זרם האלקטרונים דרכו למספר ערוצי הולכה בעלי יכולת הולכה מוגבלת. ד"ר טל מזהה את הערוצים האלה באמצעות שיטה מיוחדת, המאפשרת לו "להאזין לרעש" הנוצר כתוצאה מהחזרת חלק מהאלקטרונים אל האלקטרודה ממנה באו.
מחקר נוסף שמתכנן ד"ר טל לבצע במעבדתו במכון ויצמן למדע קשור לתחום חדש – "ספינטרוניקה". הספינטרוניקה מבוססת על שימוש בתכונת הספין האלקטרוני בנוסף לתכונת המטען, לצורך יצירת התקנים אלקטרונים. הספין של האלקטרונים יכול להימצא באחד משני מצבים: למעלה או למטה. התקנים ספינטרוניים עשויים להיות יעילים מאוד מבחינת צריכת האנרגיה ומהירות פעולתם, ובעיקר לאפשר פעולות שאינן ניתנות לביצוע על ידי התקנים אלקטרוניים רגילים. כדי לפתח מעגלים ספינטרונים, על המדענים לפתח דרך מבוקרת שבאמצעותה יוכלו לשלוט במצבי הספין ולשמור עליהם. ד"ר טל מתכוון ללכוד מולקולות בעלות צורות מעניינות, לדוגמה מולקולות בעלות סימטריה כיראלית. הוא סבור שתנועת אלקטרונים במבנה דמוי בורג עשויה, בתנאים מסוימים, להעניק עדיפות להולכת ספינים בעלי מצב מסוים.

הפוסט גשר צר מאוד: האם ניתן לייצר רכיבים אלקטרוניים שגודלם אינו עולה על זה של מולקולה בודדת? הופיע לראשונה ב-Chiportal.

.

לפני כחמש שנים החל פרופ' אלי ברקאי, פיסיקאי מאוניברסיטת בר אילן לחקור את פליטת האור של ננו גבישים (גביש שגודלו האופייני מיליארדית המטר המתנהג כמו מולקולה). הבנת טבע פליטות האור ממקור כה קטן נובעת לא רק מסקרנות מדעית, אלא גם מאפליקציות אפשריות בתחום הננוטכנולוגיה.

תחום הננו-טכנולוגיה משלב לראשונה מחקרים בין תחומיים בין מקצועות שקודם היו די נפרדים – פיסיקה, כימיה וביולוגיה. לננו-טכנולוגיה מתוכננים אינספור יישומים בתחומים שונים ומגוונים, החל מכלי נשק מתוכחמים, דרך מטוסים קלים יותר ועד לרפואה. בתחום הרפואה, הרעיון הבסיסי הוא בניית מכונות בגודל של מיליארדית המטר, שיבצעו מה שמבצעות מכונות בקנה המידה הנראה לעין למשל לצורך אבחון, ולפיכך יוכלו לבצע את תפקידיהם במקומות אליהם אין גישה בדרך אחרת, ויתרה מכך הם יוכלו לשייט כצוללת בתוך גוף האדם במטרה לתקוף תאים סרטניים שרק החלו להתפתח, או פירוק זיהומים.

יש עוד קשיים רבים בדרך לבניית ננו-צוללות שיסיירו בגוף האדם. אחד מהם הוא שמתכנני המערכות הללו צריכים מעין פנסים ננומטריים שיאירו להם את הדרך בתוך איזור המטרה של המוצר שלהם, בפרט כאשר מדובר בגוף ביולוגי, שלא לומר – גוף האדם. לדוגמה יש המבקשים להצמיד סמנים פולטי אור למערכת ביולוגית כמו למשל למולקולת RNA-שליח. כדי לראות לאן המולקולה או ה"צוללת" נוסעות, יש לצייד אותן במקבילה הננומטרית לפנסים.

אך כדי שהננו-טכנולוגים יוכלו לפתח את מוצריהם הם חייבים רקע תיאורטי, ואת זה מספק בין היתר ברקאי. הרקע התיאורטי יכול להתוות כיוונים חדשים, או לסתום את הגולל על כיווני מחקר שבהם שום טכנולוגיה לא תוכל להתגבר על חוק טבע בסיסי. התופעה שחוקר פרופ' ברקאי היא תופעת ההבהוב של הגבישים הננומטריים, שהם למעשה הפנסים.

"ברמה של המולקולה הבודדת (ננו גביש בודד) התגלו תופעות פיסיקליות וסטטיסטיות חדשות. בעבר הניחו שכל מולקולה מתנהגת כממוצע ההתנהגות של מולקולות רבות מסוגה, עובדה שאינה עולה בקנה אחד עם הניסוי המודרני של המאה ה-21."

אחת התופעות שהתגלו בננו גבישים היא תופעת ההבהוב. כשאנו מסתכלים מהחלל על עיר איננו מבחינים בכך שהאורות מהבהבים כי ממוצע האור מהמקורות הרבים שבעיר לא משתנה במידה רבה. לעומת זאת כאשר אנו מסתכלים על פנס בודד הוא עשוי להבהב, אך עדיין נראה רוב הזמן אור. ואולם בממדים הקטנים, מדובר במערכות לא יציבות. לא יעלה על הדעת שבנסיעה של שעה בלילה אחד, אורות המכונית ידלקו וייכבו לסירוגין, כך שתוכלו איכשהו לראות את הדרך ואילו למחרת האורות לא יידלקו במהלך כל הנסיעה. בננו-גבישים זה קורה המון. ה"אורות" יכולים להיסגר למשך אלפית השנייה, להידלק בחזרה ופתאום להעלם לשניות, דקות או אף שעות.

פרופ' ברקאי וחבריו פיתחו תיאוריות המסבירות את התנהגות מערכות ננו-גבישים, לרבות הסיבה להבהוב, התכונות הסטטיסטיות של ההבהוב וההבדל בין התחזית של המכניקה הקוונטית לסטטיסטיקות אלה והמצב בפועל. מסתבר שהנחה יסודית המכונה 'ההנחה הארגודית'– לפיה ממוצע הפליטה של אות ממערכת בודדת (לדוגמה נורת להט) יהיה זהה על פני מערכות זהות רבות (מנורות מאותו סוג) – אינה מתקיימת.

אחת ההשלכות האבסורדיות היא שכאשר שולחים סטודנט למדוד את הפליטות מאותם ננו-גבישים, לא רק האות האקראי המתקבל שונה מניסוי לניסוי אלא גם ממוצעי התוצאות שונים מסדרת ניסויים אחת למשניה ואין לכך דבר עם כישרונו של אותו סטודנט, אלא עם העדר ההגיון במערכת הננומטרית. התיאוריה שפיתחו ברקאי ועמיתיו, ואשר גם נוסו בידי עמיתים מתחום הפיסיקה הניסויית בבר-אילן מאפשרת לחזות את התפלגות ממוצעי הדגימות ומספקת את הנוסחה לכך.

האם מדובר במכשול שניתן יהיה להתגבר עליו, או שתופעת טבע שאין לעקפה היא זו שתרחיק לעד את השימוש בננו-גבישים ממפתחי המערכות הננומטריות, ימים יגידו. פרופ' ברקאי סבור שהעדויות הולכות ומצטברות בכיוון זה, אך יש להמשיך ולחקור את תופעת ההבהוב כדי להבין אותה עד הסוף על מנת לדעת זאת.

פרופ' אלי ברקאי התחיל את הקריירה האקדמית שלו באוניברסיטת ת"א, שם למד אצל פרופ' ויקטור פלורוב במחלקה לפיסיקה, ושיתף פעולה במחקרים עם פרופ' יוסי קלפטר מהמחלקה לכימיה. בהמשך שהה באוניברסיטאות חשובות בארה"ב: MIT שם עבד עם פרופ' רוברט סילבי (SILBEY) ואוניברסיטת נוטרדם. כאשר שב לארץ נקלט בבר אילן, פרסם מאמרים רבים ובשנת 2006 אף זכה בפרס קריל למחקר מדעי, פרס המוענק ע"י קרן וולף למדענים ישראלים צעירים.

הפוסט החוקים הפיסיקליים המוזרים של עולם הננו הופיע לראשונה ב-Chiportal.

.

דור חדש של טרנזיסטורים זעירים במיוחד שמהם ניתן יהיה לייצר שבבי מחשב חזקים במיוחד תוך שימוש במבנים זעירים המכונים ננו-חוטים מוליכים למחצה קרובים הופך למציאות לאחר גילוי משותף של חוקרים ביבמ, אוניברסיטת פורדו ואוניברסיטת קליפורניה בלוס אנגל'ס.חוקרים קרובים עתה ליכולת להשתמש ברכיבים זעירים – ננו חוטים מוליכים למחצה, ליצירת דור חדש של טרנזיסטורים קטנים במיוחד בעלי שכבות מוגדרות של סיליקון וגרמניום, שיאפשרו ביצועים הרבה יותר טובים של הטרנזיסטורים.

החוקרים למדו כיצד ליצור ננו חוטים באמצעות שכבות של חומרים שונים שהגבול שלהם מוגדר בבירור ברמה האטומית, דרישה חיונית לייצור טרנזיסטורים יעילים מתוך מבנים אלה.

"הצלחת האפשרות להבחין באופן ברור בין שכבות של חומרים מאפשר לנו לשפר ולבקר את זרימת האלקטרונים ולמתג את הזרימה הזו לפי הצורך – להעביר או להפסיק", אומר אריק סטאץ' פרופסור להנדסת חומרים בפורדו.

רכיבים אלקטרוניים עשויים לרוב ממבנים מרובי חומרים (heterostructures), משמעות הדבר כי הם מכילים שכבות מוגדרות היטב של מוליכים למחצה שונים כגון סיליקון וגרמניום. עד כה, החוקרים הלא הצליחו לייצר ננוחוטים בעלי שכבות מוגדרות של סיליקום וגרמניום. במקום זאת, מעבר משכבה אחת לשניה היה כל כך הדרגתי ולכן לא יכול היה אופטימאלי לשימוש בטרנזיסטורים.

הממציאם החדשים מצביעים על גישה ליצירת טרנזיסטורים המורכבים מננו-חוטים.

הממצאים פורסמו ב-27 בנובמבר בכתב העת סיינס. בעוד טרנזיסטורים קונבנציונליים בנויים משכבות שטוחות אופקיות של סיליקון, חוטי הסיליקון הננומטריים גדלים אנכית. בגלל המבנה האנכי, יש להם טביעת רגל קטנה יותר, דבר שיכול להפוך אותם למתאימים יותר לטרנזיסטורים על גבי כרטיסים משולבים או שבבים, אומר סטאצ'.

ואולם תחילה יש ללמוד כיצד לייצר את הננו-חוטים לפי תקנים חזקים לפני שהתעשיה תוכל להתחיל להשתמש בהם לייצור טרנזיסטורים" אמר.

ננו חוטים יוכלו לאפשר למהנדסים לפתור בעיות המאיימות על תעשיות האלקטרוניקה. טכנולוגיות חדשות יידרשו לתעשיה כדי להמשיך את חוק מור, כלל בלתי רשמי שלפיו מספר הטרנזיסטורים בשבב מחשב מוכפל בכל 18 חודשים, דבר המתבטא בהתפתחות מהירה במחשבים ובתקשורת. הכפלת מספר הרכיבים שניתן להתקין על שבב מחשב מתורגם לגידול מקביל בביצועים. ואולם, הולך ונהיה קשה יותר להמשיך ולכווץ את הרכיבים האלקטרוניים המורכבים ממוליכים למחצה מבוססי סיליקון.

הפוסט חיווט ננומטרי הוא המפתח לעתיד הטרנזיסטורים והאלקטרוניקה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

בראשית, היו אלו הפרודות בצורת כדורגל שכונו כדורי-באקי (פולרנים). לאחר-מכן היו אלו ננו-צינורות בצורת גלילים. כעת, החומר החדש המרתק ביותר בפיסיקה ובננוטכנולוגיה הינו גרפן – פרודה שטוחה מאוד המורכבת מאטומי פחמן המאורגנים בתבנית של טבעות משושות.

לא רק שזהו החומר הזעיר ביותר האפשרי, אלא שהוא גם חזק יותר פי עשרה מפלדה ומוליך חשמל טוב יותר מכל חומר ידוע אחר בטמפרטורת החדר. תכונות אלו של הגרפן, ומאפיינים מרתקים נוספים שלו, הם שמשכו את תשומת ליבם של פיסיקאים – שהחלו לבחון אותם, וננוטכנולוגים – שהחלו לנצל אותם עבור ההכנה של התקנים מכאניים וחשמליים חדשניים.

"ישנן שתי תכונות ההופכות את הגרפן ליוצא-דופן," אומר Kirill Bolotin, פרופסור לפיסיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת Vanderbilt (נאשוויל, טנסי, ארה"ב). "ראשית, המבנה המולקולארי שלו כה עמיד בפני פגמים מבניים עד כי החוקרים נאלצו להחדירם במכוון לשם בדיקת השפעותיהם של פגמים אלו. שנית, האלקטרונים הנושאים עליהם את המטען החשמלי נעים מהר יותר ובאופן כללי מתנהגים כאילו המסה שלהם הרבה יותר קטנה מאשר זו הנמדדת במתכות רגילות או על-מוליכים."

במאמר שפורסם החודש בכתב-העת היוקרתי Nature, המדען וצוות המחקר שלו מדווחים כי הצליחו לייצר גרפן נקי דיו כך שהוא מפגין תופעה אלקטרונית מוזרה המכונה "תוצא הול קוונטי חלקי" (Hall effect, הערך בוויקיפדיה), שבה האלקטרונים פועלים יחדיו ליצירת חלקיקים חדשים בעלי מטענים חשמליים שהינם שבר מהמטען של אלקטרון בודד.

למרות שגרפן הינו החומר הגבישי הדו-מימדי האמיתי הראשון שהתגלה, מדענים הרהרו רבות במהלך השנים כיצד יתנהגו גזים ומוצקים דו-מימדיים אחרים. הם גם הצליחו ליצור אומדן קרוב עבור גז אלקטרונים דו-מימדי באמצעות החיבור יחדיו של שני מוליכים-למחצה השונים במעט זה מזה. האלקטרונים מתוחמים בממשק שבין שני המוליכים למחצה והתנועה שלהם מוגבלת לתנועה דו-מימדית בלבד. כאשר מערכת כזו מקוררת עד כדי פחות ממעלה אחת מעל האפס המוחלט ומופעל עליה שדה מגנטי חזק – אזי מתרחשת התופעה.

מאז שהמדענים הבינו כיצד להכין גרפן (לפני חמש שנים), הם ניסו לגרום לו להפגין את התופעה הזו, ניסיונות שהסתיימו בהצלחה זעומה בלבד. לדבריו של החוקר, קבוצה מאוניברסיטת קולומביה שבארה"ב הבינה כי הבעיה הינה הפרעה הנובעת מהמשטח עליו מוקם הגרפן. בעקבות כך, החוקרים השתמשו בשיטות ליתוגרפיה של מוליכים-למחצה בכדי למקם יריעות גרפן נקיות ביותר בין נקודות מיקרוסקופיות מעל משטח השבב המוליך למחצה. כאשר הם קיררו את התצורה הזו בתחום של עד שש מעלות מעל האפס המוחלט והפעילו שדה מגנטי, הגרפן חולל את אפקט הול, בדיוק כפי שצפתה התיאוריה.

הדרך הטובה ביותר להבין את התופעה הזו, המנוגדת להיגיון הרגיל שלנו, הינה לחשוב על האלקטרונים שבגרפן כאילו הם יוצרים גל טעון דקיק ביותר. כאשר מופעל שדה מגנטי, גל זה מייצר מערבולות בזרם האלקטרונים. מאחר ולאלקטרונים יש מטען שלילי, למערבולות אלו יש מטען חיובי. "מערבולות" אלו מתקבלות עם מטען חלקי של שליש, חצי ושני שלישים מהמטען של אלקטרון בודד. נושאי מטען חיובי אלו נמשכים אל אלקטרוני ההולכה, ויוצרים בסופו של דבר כעין-חלקיקים (קווזי-חלקיקים) בעלי מטען חלקי.

הבנת התכונות האלקטרוניות של גרפן חשובה מכיוון, שלא כמו חומרים אחרים המשמשים בתעשיית האלקטרוניקה, הגרפן נותר יציב ומוליך גם ברמה המולקולארית. כתוצאה מכך, כאשר טכנולוגיית הסיליקון הנוכחית תגיע לגבול המזעור הבסיסי שלה בשנים הקרובות, אפשר שהגרפן יתפוס את מקומה.

בינתיים, פיסיקאים תיאורטיים מעוניינים בגרפן מסיבה שונה לחלוטין: הוא מספק אפשרויות חדשות לבחינת התיאוריות שלהם.

במהלך תנועתם של אלקטרונים בתוככי מתכות רגילות, הם מגיבים עם שדות חשמליים שנוצרים מסריג אטומי המתכת, שדות המושכים והדוחפים אותם באופן מורכב. כתוצאה מכך, האלקטרונים מתנהגים כאילו הם בעלי מסה השונה מהמסה הרגילה והמקורית שלהם. לפיכך, הפיסיקאים קוראים לזה "מסה אפקטיבית" ומתייחסים אליהם כאל קווזי-חלקיקים. גם כאשר הם נעים ברחבי הגרפן הם מתנהגים כקווזי-חלקיקים, אולם בצורה כזאת שהם חסרי מסה. מסתבר כי קוואזי-החלקיקים של הגרפן, שלא כמו אלו המצויים בחומרים אחרים, מצייתים לחוקי האלקטרודינמיקה הקוונטית – אותן משוואות היחסות שהפיסיקאים משתמשים בהן לתיאור התנהגותם של חלקיקים בחורים שחורים ובמאיצי-חלקיקים גבוהי-אנרגיה. כתוצאה מכך, חומר חדשני זה יוכל לאפשר לפיסיקאים לערוך ניסיונות ממשיים לבחינת נכונות המודלים התיאורטיים שלהם לגביי הסביבות הקיצוניות ביותר הקיימות ביקום כולו.

הפוסט אומתו מאפייניו האלקטרוניים של החומר גרפן הופיע לראשונה ב-Chiportal.