חוקרים מהאוניברסיטה העברית בירושלים השתמשו בהבזקי אור קצרים במיוחד כדי לשלוט במבנה הגבישי של שכבת מוליך למחצה, בלי לשנות את הרכבה הכימי. באמצעות שינוי משך ההבזק ועוצמתו הצליחו החוקרים לבחור בין שני מופעים גבישיים של תחמוצת ביסמוט — ולשמר בטמפרטורת החדר מופע מטא־יציב בעל תכונות אופטו־אלקטרוניות משופרות.

המחקר, שהתפרסם בכתב העת Small Structures, נערך בהובלת שחר ארצי וד״ר רונן גוטסמן מהמכון לכימיה, מרכז קזאלי לכימיה יישומית והמרכז לננו־מדע ולננו־טכנולוגיה באוניברסיטה העברית.

חומרים רבים יכולים להתקיים בכמה מבנים גבישיים, המכונים פולימורפים, אף שההרכב הכימי שלהם זהה. סידור שונה של האטומים עשוי לשנות במידה ניכרת את הולכת המטענים, בליעת האור ותכונות נוספות של החומר.

הבעיה היא שחלק מהמופעים השימושיים מתקיימים רק בטמפרטורות גבוהות או בתנאים הרחוקים משיווי משקל. כאשר החומר מתקרר באיטיות, האטומים חוזרים בדרך כלל למבנה היציב יותר.

הבזק של עשירית אלפית השנייה

החוקרים השתמשו בשיטה המכונה חימום פוטוני בהבזק — Flash Photonic Heating. בשיטה זו שכבת החומר נחשפת לפולס אור לבן חזק וקצר, היוצר קצבי חימום וקירור של מיליון עד עשרה מיליון מעלות צלזיוס בשנייה.

בניסוי הופקדו שכבות דקות של תחמוצת ביסמוט, Bi₂O₃, על זכוכית המצופה בתחמוצת בדיל מסוממת בפלואור — FTO — מצע שקוף ומוליך המשמש בין היתר בהתקנים אופטו־אלקטרוניים ובתאים סולאריים.

החוקרים בחנו שכבות שהוכנו בשתי שיטות: מריחה בשיטת Doctor Blade ושיקוע באמצעות פעימות לייזר. התוצאות הראו כי לא רק כמות האנרגיה הכוללת קובעת את המבנה שיתקבל, אלא גם הקצב שבו היא מועברת לחומר.

פולסים קצרים במיוחד, שנמשכו כ־0.1 מילישנייה, יצרו תנאים הרחוקים משיווי משקל וקיבעו את מופע בטא המטא־יציב של תחמוצת הביסמוט. פולסים ארוכים יותר, של יותר ממילישנייה, הובילו למופע אלפא היציב.

פער אנרגיה צר יותר וזרם גבוה יותר

למופע בטא שנוצר בהבזק נמדד פער אנרגיה של 2.35 אלקטרון־וולט, לעומת 3.15 אלקטרון־וולט במופע אלפא. פער האנרגיה הצר יותר מאפשר לחומר לבלוע חלק רחב יותר מתחום האור הנראה.

במדידות פוטואלקטרוכימיות הפיק מופע בטא צפיפות זרם גבוהה פי 10 עד פי 50 מזו של מופע אלפא, בהתאם למבנה השכבה ולשיטת הכנתה. החוקרים מייחסים את השיפור בין היתר לצמצום האיחוי מחדש של נושאי המטען — תהליך שבו אלקטרונים וחורים מתחברים מחדש לפני שניתן לנצל אותם ליצירת זרם.

הצוות הדגים גם מעבר הפיך בין שני המופעים. באמצעות בחירה שונה של פולסי האור ניתן היה להעביר את החומר ממופע אלפא למופע בטא ולאחר מכן להחזירו למבנה המקורי.

המשמעות לתעשיית החומרים האלקטרוניים

היתרון האפשרי של חימום בהבזק הוא היכולת לעבד שכבה פעילה בטמפרטורות ובקצבים קיצוניים בלי לחמם באותה מידה את המצע שעליו היא מונחת. בתהליכי חימום רגילים, תנור מחמם הן את השכבה והן את הזכוכית או הפלסטיק שמתחתיה, ולכן עמידות המצע מגבילה את טמפרטורת העיבוד.

הגישה עשויה בעתיד לאפשר ייצור ועיבוד של מוליכים למחצה ותחמוצות מתכת על זכוכית מוליכה, פלסטיק ומצעים גמישים הרגישים לחום. יישומים אפשריים כוללים התקנים להמרת אנרגיית שמש, פוטוקטליזה, חיישנים ורכיבים אופטו־אלקטרוניים.

עם זאת, המחקר אינו מציג עדיין רכיב מסחרי או תהליך המתאים לקו ייצור של שבבים. הניסויים נערכו על אלקטרודות דקות של תחמוצת ביסמוט, ונדרשת עבודה נוספת כדי לבחון את השיטה בחומרים אחרים, על שטחים גדולים ובתהליכים החוזרים על עצמם באחידות הנדרשת בתעשייה.

המחקר משתלב במאמץ רחב יותר לפתח שיטות ייצור ועיבוד לחומרים אלקטרוניים דקים. ב־CHIPORTAL דיווחנו לאחרונה על שיטה אופטית לבדיקת סרטי MXene דקים בלי לפגוע ברכיב, על שיטה לייצור רכיבי אלקטרוניקה גמישים ודקים ועל זיכרון דו־ממדי לא־נדיף שפעל בטמפרטורת החדר.

במחקר השתתפו שחר ארצי, שלומית רוזנבאום, שחר מצוינים, ג׳נאן רבאיעה, תום נאור, בוריס בנימינוב, יגאל לוין ורונן גוטסמן.

הפוסט חוקרים מהעברית יצרו בהבזק אור מופע של מוליך למחצה שהפיק פי 10–50 יותר זרם בהארה הופיע לראשונה ב-Chiportal.