محققان با ساخت ترانزیستورهای کوانتوم دات، تولید مدارهای الکترونیکی انعطاف‌پذیر را ممکن کردند

محققان آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و همکاران‌شان در دانشگاه کالیفرنیا اخیرا با ساختارهای کوچکی که تحت عنوان نقاط کوانتومی شناخته می‌شوند قادر به ساخت بلوک‌های الکترونیکی ونی. این نوآوری می‌تواند به شکل‌گیری رویکردهای ارزان‌قیمت‌تر برای ساخت دیوایس‌های الکترونیکی پیچیده منجر شود که در آزمایشگاه‌های شیمی و از طریق یک تکنیک آسان تولید می‌گردند و می‌تواننند نقش قطعاتی با طول عمر بالا را برای دیگر دیوایس‌های نوآورانه ایفا کنند.

از جمله محصولات بالقوه این دیوایس‌های الکترونیکی جدید که بر مبنای نقاط کوانتومی غیر سمی ساخته می‌شوند می‌توان به مدارهای چاپی، نمایشگرهای انعطاف‌پذیر، دیوایس‌های پوشیدنی، آزمایش‌های پزشکی، ایمپلنت‌های هوشمند و سیستم‌های بیومتریک اشاره کرد. این را ویکتور کلیموف، فیزیکدانی که در زمینه نانوکریستال‌های نیمه‌هادی تخصص دارد می‌گوید.

برای چندین دهه، مایکرو الکترونیک‌ها با اتکا بر سیلیکون‌هایی با خلوص بسیار بالا و به صورت خاص در محیط‌هایی شدیدا تمیز ساخته شده‌اند. اما چند وقتی است که چندین جایگزین مختلف برای مایکرو الکترونیک‌های سیلیکونی یافته شده که اجازه می‌دهند مدارهای الکترونیکی پیچیده را بیرون از محیط‌های تمیز و با استفاده از تکنیک‌های شیمیایی دسترس‌پذیر و ارزان‌قیمت بسازیم. برای مثال می‌توان به نانوذرات نیمه‌هادی و کلوئیدی که با متدهای شیمیایی و بدون نیاز به محیط بسیار تمیز ساخته می‌شوند اشاره کرد. این ذرات به خاطر ابعاد کوچک و همین‌طور خواص منحصر به فردشان که از قواعد مکانیک کوانتوم پیروی می‌کنند، نقاط کوانتومی نام گرفته‌اند.

یک نقطه کوانتومی شامل یک هسته نیمه‌هادی می‌شود که با مولکول‌های ارگانیک پوشیده شده‌. در نتیجه همین ماهیت هیبریدی، مزایای نیمه‌هادی‌های سنتی با تطبیق‌پذیری شیمیایی سیستم‌های مولکولی در نقاط کوانتومی ترکیب می‌شوند. به این ترتیب، از این مواد تازه می‌توان برای مدارهای الکترونیکی انعطاف‌پذیر استفاده کرد که احتمالا بتوان آن‌ها را روی سطحی مانند پلاستیک، کاغذ و حتی پوست انسان تعبیه نمود. بنابراین بدیهی است که از مزایای این تکنولوژی می‌توان در انبوهی از حوزه‌های مختلف مانند لوازم الکترونیکی مصرف‌کنندگان، امنیت، امضای دیجیتال و تشخیص‌های پزشکی استفاده کرد.

یکی از عناصر کلیدی مدارهای الکترونیکی، ترانزیستوری است که نقش سوییچ جریان الکتریکی را ایفا کرده و با ولتاژی مشخص فعال می‌شود. ترانزیستورها معمولا در دو نوع n-type و p-type در دیوایس‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند تا به ترتیب قادر به کنترل جریان الکتریکی مثبت و منفی باشند. این ترانزیستورها برای مدت‌های طولانی سنگ بنای تکنولوژی CMOS (یا نیمه‌هادی‌های اکسید فلز) بوده‌اند و چیزهایی مانند مایکرو پردازنده‌ها، چیپ‌های حافظه، سنسورهای تصویر و دیگر دیوایس‌های الکترونیکی را با خود به ارمغان آورده‌اند.

نخستین ترانزیستورهای نقاط کوناتومی حدودا دو دهه پیش به نمایش درآمدند. با این همه، یافتن همتایانی برای ترانزیستورهای n-type و p-type در لایه نقاط کوانتومی همواره چالشی بزرگ بوده است. علاوه بر این، اکثر تلاش‌های ما در این حوزه روی نانو کریستال‌ها و کادمیوم متمرکز بوده‌اند. این عناصر، فلزهایی شدیدا سمی هستند و بنابراین کاربردهای دیوایس‌ها را شدیدا محدود می‌کنند.

حالا تیم آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و محققین دانشگاه کالیفرنیا نشان داده‌اند که با استفاده از نقاط کوانتومی مس-ایندیوم-سلناید (CulnSe2) و پرهیز از فلزات سنگین، قادر به حل مشکل مواد سمی بوده و به صورت همزمان، ترانزیستورهای n-type و p-type را به لایه نقاط کوانتومی آورده‌اند. برای اثبات کاربردی بودن دیوایس نیز، آن‌ها مدارهایی ساخته‌اند که قادر به انجام عملیات‌های منطقی هستند.