ترانزستور هجين لتحسين أداء الجيل القادم من شاشات العرض

فريق دولي بقيادة علماء «كاوست» يطور تقنية اقتصادية التكلفة

يمكن تصنيع دوائر متكاملة مرنة باستخدام تقنية الترانزستور الهجين

توصل باحثو جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) إلى تقنية تصنيع مبتكرة قادتهم إلى تطوير ترانزستورات عضوية هجينة من شأنها تحسين أداء الجيل القادم من شاشات العرض والإلكترونيات الأخرى واسعة النطاق.
والترانزستور الذي اخترعته مجموعة من العلماء في الولايات المتحدة الأميركية لأول مرة ما بين عامي 1947 و1948. هو جهاز ينظم تدفق التيار أو الجهد ويعمل كمفتاح أو بوابة للإشارات الإلكترونية. تتكون الترانزستورات من ثلاث طبقات من مادة شبه موصلة، كل منها قادر على حمل تيار.
اليوم نجد أن تطبيقات الترانزستور في حياتنا اليومية لا تعد ولا تحصى، فهو يستخدم في الراديو والتلفزيون والحواسيب والهواتف المحمولة والثلاجات والأفران وسخانات المياه وأجهزة تكييف الهواء وأنظمة الميكرويف والأجهزة الطبية وأجهزة الاستشعار وفي السيارات والطائرات والأغراض الصناعية وغيرها.
وتتميز الترانزستورات رقيقة الغشاء، المعروفة اختصاراً باسم (TFTs)، والمصنوعة من أكاسيد معدنية بخواص مفيدة، من بينها الشفافية البصرية والسعة الكبيرة لحمل الشحنات، كما يتزايد استخدامها في شاشات الدايود (صمام ثنائي الاقطاب) الباعث للضوء (LED).
ويجري حالياً تصنيع معظم الترانزستورات رقيقة الغشاء بأساليب الترسيب الفيزيائي للبخار، حيث تتحول المادة من طور مكثف إلى طور بخاري ثم تعود إلى طور رقيق مكثف. ولكن الطباعة القائمة على المحاليل تبشِّر بطريقة أبسط وأكثر فاعلية من ناحية التكلفة. ومع ذلك لا يزال إنتاج ترانزستورات رقيقة الغشاء من أكاسيد معدنية، تتمتع بحركية عالية للحامل واستقرار تشغيلي، يُمثِّل تحدياً.
ولمواجهة هذا التحدي، صنع فريق دولي مكوِّن من باحثين من المملكة المتحدة والصين واليونان، بقيادة البروفسور توماس أنثوبولوس، أستاذ، هندسة وعلوم المواد، وزملائه من مركز أبحاث الطاقة الشمسية في «كاوست»، ترانزستور هجيناً رقيق الغشاء مكوناً من طبقات من البوليستيرين المعالَجة بالمحلول محصورة بين صفائح فائقة الرقة من الجسيمات النانوية لأكسيد الإنديوم وأكسيد الزنك.
وعن هذه التقنية يقول أنثوبولوس: «اكتشفنا أن قابلية الإلكترونات للحركة في هذا الترانزستور الهجين رقيق الغشاء عالية جداً، وهو ما أثار دهشتنا. لكن الأهم من ذلك أننا اكتشفنا تحسناً هائلاً في قدرة الجهاز في الحفاظ على الانحياز الكهربائي فترة طويلة من التشغيل المتصل، دون تغيير خصائصه التشغيلية».
وأظهرت دراسات سابقة أجراها أنثوبولوس وفريقه البحثي أن الترانزستورات رقيقة الغشاء المصنوعة من اثنين أو أكثر من الأكاسيد المعدنية يمكن أن تولّد صفائح من الإلكترونات المتحركة عند الواجهات البينية الفاصلة بين طبقات الأكاسيد المعدنية، تتحرك هذه الإلكترونات بحرية عبر الجهاز، رافعة من سعة حمله للشحنات.
ومع ذلك، فإن العيوب البنيوية الموجودة في الطبقات متعددة البلورات التي تُشكِّل الواجهات البينية تنتج مصائد للإلكترونات، مما يؤدّي إلى تغيير الخواص الكهربائية للجهاز.
ووجد الباحثون أن إدخال طبقة من البوليستيرين بين طبقات الأكاسيد المعدنية، ثم معالجة هذه الطبقة بالإشعاع فوق البنفسجي والأوزون، تسبب في تحلل البوليستيرين إلى أنواع جزيئية أصغر تفاعلت مع الطبقات الأكسيدية، مما أدى إلى تقوية الروابط بين الجسيمات النانوية وإزالة بعض من مصائد الإلكترونات.
واعتبر أنثوبولوس أن: «مفتاح نجاح التصميم هو إدراج طبقة البوليستيرين البينية المعالَجة بالأوزون، والتي تبطل مصائد الإلكترونات الموجودة على الأسطح-الواجهات البينية للأكاسيد المعدنية ولا تزيد من قابلية الإلكترونات للحركة بالجهاز فحسب، بل تعزز كذلك استقرار إجهاد الانحياز».
ويقدّم هذا العمل أسلوباً بسيطاً وفعالاً من ناحية التكلفة وقابلاً للتوسع لتصنيع ترانزستورات رقيقة الغشاء لاستخدامها في الجيل القادم من شاشات العرض وطائفة من الإلكترونيات الأخرى واسعة النطاق.
يختتم أنثوبولوس حديثه قائلاً: «نريد في المرحلة التالية أن نعرف إمكانية استخدام التقنية ذاتها لإبطال مصائد الإلكترونات مع أشباه الموصلات المختلفة ذات الأكاسيد المعدنية أو مع توليفات أخرى من المواد».
ويؤكّد: «كلّي ثقة بأننا سنتعرف على مواد أفضل أداءً حتى من تلك التي توصلنا إليها».