הינך נמצא כאן

ליכלוכים אלקטרוניים

01.09.2007

 
 
מימין: ד"ר איילת וילן, פרופ' דוד כאהן, ד"ר אוליבר סייטז ופרופ' אנטווין קאהן. אלקטרוניקה אורגנית
 
 
אחת הדרכים לשפר משהו, היא "לקלקל" אותו מעט. כך, למשל, פלדה היא ברזל "מזוהם" במעט פחמן. תעשיית האלקטרוניקה המודרנית התפתחה והתבססה בזכות היכולת להכין מוליכים-למחצה עשויים צורן (סיליקון) בדרגת ניקיון כה גבוהה, עד שניתן לזהם ("לאלח") אותם באופן מדוד ומבוקר. המושג אילוח לקוח מעולם המיקרו-ביולוגיה, שם הוא מתייחס להדבקה בחיידקים או במחלה מזהמת. חוקרי החומרים מבצעים את תהליך האילוח באמצעות החדרת כמות זעירה של אטומים זרים, דוגמת אטומי זרחן, לתוך הצורן. האילוח הוא שמאפשר לכוון את תנועת האלקטרונים דרך המוליך-למחצה, וכך לשלוט בתכונותיו החשמליות. מדובר בתופעה הדומה למה שמתחולל כאשר מוסיפים כיסא ריק למעגל של אנשים יושבים - דבר  שמאפשר "זרימה" מתמדת של אנשים אל הכסא הריק (המתחלף). תופעה דומה מתחוללת כאשר אדם שנכנס למעגל של כיסאות ריקים מתחיל לנוע ולעבור מכסא לכסא.
 
צוות של מדענים ממכון ויצמן למדע, בשיתוף עם מדענים אמריקאיים, הצליחו באחרונה ליישם לראשונה את התהליך הזה בתחום המתפתח של האלקטרוניקה האורגנית. הרעיון להחליף את הצורן שברכיבים החשמליים במולקולות ובפולימרים אורגניים נולד לפני כחמישה עשורים. מדובר ברעיון כדאי מבחינות שונות: קיים מיגוון עצום של מולקולות אורגניות, וחלקן זולות בהרבה מהמוליכים-למחצה שבהם משתמשים כיום; החומרים האורגניים מתכלים - ולכן הם ידידותיים יותר לסביבה; והמבנה הגמיש שלהם מאפשר לתכנן ולבצע שינויים בקלות יחסית, וכך להשפיע על תכונותיהם החשמליות של ההתקנים המורכבים מהם. הקשיים העיקריים ביישום האלקטרוניקה המולקולרית נובעים מהצורך להשתמש בחומרים אורגניים נקיים במידה מספקת, וכן למצוא דרכים יעילות כדי לאלח אותם - כפי שנעשה בתהליכי הכנת ההתקנים האלקטרוניים העשויים צורן.
 
אחת מגישות המחקר בעבודה עם חומרים אורגניים היא בדיקת תכונותיהן החשמליות של מולקולות בודדות, או שכבות דקות, שעוביין אינן עולה על זה של מולקולה בודדת. פרופ' יעקב סגיב, מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, החל לבצע מחקר מודרני של שכבות אורגניות חד-מולקולריות כבר לפני כ-25 שנה. כיום פועלים בשדה המחקר הזה מדענים רבים  ממקומות שונים בעולם. מדובר במערכות עדינות, אשר עורמות קשיים רבים על דרכם של החוקרים, שכן קשה להתקין אותן לצורך עריכת המדידות האלקטרוניות מבלי לפגוע בשלמותן. קושי נוסף עולה מהעובדה,המוכתבת על-ידי חוקי התרמו-דינמיקה, ששכבות דקיקות אלו מכילות פגמים. פגמים אלה, המשפיעים על מעבר זרם האלקטרונים, יכולים להכתיב את תוצאות המדידות החשמליות - בעיה שעד לאחרונה היוותה את עקב אכילס של התחום. בנוסף לכך,האפשרות לאלח מערכות אורגניות חד-מולקולריות ומשמעותו של התהליך היו מוטלות בספק.
 
ד"ר חגי כהןכאן נכנסו לתמונה פרופ' דוד כאהן והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר אוליבר סייטז מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה, שפעלו בשיתוף עם ד"ר אילת וילן וד"ר חגי כהן מהיחידה לתשתיות מחקר כימיות במכון ויצמן למדע, ועם פרופ' אנטווין קאהן, פרופ' אורח במכון, מאוניברסיטת פרינסטון. בכוחות משותפים עלה בידם להראות לראשונה, כי אילוח כזה הוא אכן אפשרי.
 
השלב הראשון בעבודתם של החוקרים היה, אם כן, "ניקוי" השכבה מפגמים. עבודת הנמלים הדקדקנית כללה תהליכים ממושכים של ייבוש, ניקוי, הרחקת חמצן ועוד. החוקרים השתמשו בסוג פשוט של מולקולות אורגניות, הדומות ל"אוקטן" המצוי בדלק, שהן מבודדות מבחינה חשמלית. ואכן, המדידות החשמליות הראו, כי זרם האלקטרונים העובר דרך השכבה הדקה דומה לזה העובר דרך מבודד אידיאלי. משמעות התוצאה היא, שהמערכת מכילה אמנם רמה מסוימת, בלתי-נמנעת, של פגמים, אך אלו כבר אינם מכתיבים את התנהגות האלקטרונים.
 
כעת, לאחר שהייתה ברשותם מערכת נקייה, החלו המדענים "ללכלך" אותה, כלומר לבצע אילוח. כדי לעשות זאת הם הקרינו את המשטח באור אולטרה-סגול או בקרן אלקטרונים חלשה. כתוצאה מכך חל שינוי כימי בהרכב של שרשרות הפחמנים המרכיבים את השכבה המולקולרית, ונוצרו קשרים כפולים בין אטומי הפחמן. קשרים אלה משפיעים על תנועת האלקטרונים דרך המולקולות האורגניות.

פרופ' כאהן: "השיטה שפיתחנו מאפשרת להתחיל את העבודה עם מערכת שמתנהגת כאידיאלית, בה יש שכבה אחידה מספיק של מולקולות אורגניות, שהן (ולא הפגמים) מכתיבות את אופי מעבר האלקטרונים בחומר. לאחר שקיימת מערכת אידיאלית כזו, ניתן לשנות אותה על-פי הצרכים באמצעות אילוח, וכך לשלוט בתכונות ההולכה החשמלית". השיטה החדשה תוארה באחרונה בכתב-העת המדעי של האגודה האמריקאית לכימיה.
 
המדענים אומרים, שהיא תאפשר להרחיב במידה משמעותית את השימוש בשכבות אורגניות חד-מולקולריות בתחום הננו-אלקטרוניקה. ד"ר סייטז: "אם מותר להיות מאד אופטימי, וקצת לחלום, יכול להיות שבשיטה זו אפשר יהיה ליצור התקנים חשמליים זעירים, שונים, ואולי גם יותר ידידותיים לסביבה, בהשוואה להתקנים הקיימים כיום".
 
  
 
 
   

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם