شیمی‌دان‌ها نیترید گالیوم را به نانوکریستال تبدیل کردند و راه را برای الکترونیک انعطاف‌پذیر چاپی گشودند

یک تیم تحقیقاتی مشترک از دانشگاه شیکاگو و آزمایشگاه ملی آرگون وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده، با موفقیت نیترید گالیوم و سایر نیتریدهای فلزی را به نانوکریستال‌های کلوئیدی سنتز کردند. این موفقیت که جزئیات آن در بسته شواهد ادبیات اخیر مورد بررسی همتایان منتشر شده است، به دستاوردی رسید که قبلاً به دلیل استحکام پیوند بسیار بالای مواد درگیر، از نظر شیمیایی غیرممکن تلقی می‌شد.[1][2]

این مطالعه که در مجله نیچر (Nature) منتشر شده است، یک «روش نمک مذاب» جدید را تشریح می‌کند که محدودیت‌های سنتز شیمیایی سنتی را دور می‌زند. محققان با بازنگری در محیط مایعی که برای رشد کریستال‌های میکروسکوپی استفاده می‌شود، مسیر جدیدی را برای تولید برخی از حیاتی‌ترین اجزای بخش فناوری باز کرده‌اند.[1][6]

نیترید گالیوم (GaN) ماده نیمه‌رسانای اساسی برای اپتوالکترونیک مدرن است. این ماده موتور محرک تقریباً تمام روشنایی‌های LED معاصر، صفحه‌نمایش لپ‌تاپ‌ها و قطعات الکترونیکی قدرت با فرکانس بالا است. با این حال، ماهیت فیزیکی آن همیشه نحوه استفاده از آن را دیکته کرده است: تا کنون، GaN با کیفیت بالا تنها می‌توانست به صورت کریستال‌های حجیم، سخت و شکننده رشد کند.[2]

جامعه علمی مدت‌هاست که به دنبال کوچک‌سازی چنین موادی بوده است. نانوکریستال‌ها یا نقاط کوانتومی به قدری تحول‌آفرین هستند که کشف آن‌ها جایزه نوبل شیمی سال ۲۰۲۳ را به خود اختصاص داد. با این حال، با وجود کاربرد آن‌ها در ایجاد نمایشگرهای پر جنب و جوش و تقویت واکنش‌های شیمیایی، دانشمندان در طول تاریخ در ساخت آن‌ها به پالت محدودی از مواد، مانند سلنید کادمیوم یا فسفید ایندیوم، محدود شده بودند.[2][6]

مانع اصلی در ایجاد نانوکریستال‌های نیترید فلزی، انعطاف‌ناپذیری شیمیایی آن‌هاست. نیتریدهای فلزی پیوندهای فوق‌العاده قوی تشکیل می‌دهند. دیمیتری تالاپین، نویسنده ارشد این مطالعه، یون‌های موجود در این مواد را به «رقصندگان تانگو» تشبیه کرد که از تغییر شریک خودداری می‌کنند و این امر، ترغیب آن‌ها به تشکیل ساختارهای میکروسکوپی مستقل و بی‌نقص را بسیار دشوار می‌سازد.[2]

سنتز کلوئیدی سنتی متکی بر حلال‌های آلی است تا نانوذرات را معلق کرده و رشد دهد. با این حال، این مایعات استاندارد در دماهایی بسیار پایین‌تر از گرمای شدید مورد نیاز برای تبلور نیتریدهای فلزی، می‌جوشند یا از نظر شیمیایی تجزیه می‌شوند. هنگامی که شیمی‌دان‌ها تلاش کردند واکنش را به زور انجام دهند، نتایج همواره مواد معیوب و با کیفیت پایین بودند.[1][3]

در تشکیل کریستال، یون‌ها باید به سرعت متصل و جدا شوند تا آرایش هندسی بهینه خود را بیابند؛ مفهومی ترمودینامیکی که به عنوان برگشت‌پذیری میکروسکوپی شناخته می‌شود. اگر پیوندها برای شکستن و بازسازی پویا در طول فاز رشد بیش از حد قوی باشند، هر گونه اشتباه ساختاری دائمی می‌شود، که تالاپین آن را «حکم مرگ» برای نانوکریستال حاصل توصیف کرد.[1][5]

برای حل این مشکل، تیم دانشگاه شیکاگو و آرگون به طور کامل حلال‌های آلی را کنار گذاشتند. در عوض، آن‌ها به سراغ نمک‌های غیرآلی مذاب رفتند—نمک‌های جامدی که تا ذوب شدن و تبدیل شدن به حالت مایع گرم می‌شوند—تا به عنوان محیط واکنش با دمای بالا عمل کنند.[1][2]

نوآوری حیاتی از ترکیب این حمام نمک مذاب با گاز آمونیاک تحت فشار حاصل شد. محققان با تنظیم دقیق دما و فشار آمونیاک، یک «نقطه بهینه» ترمودینامیکی خاص را کشف کردند. تحت این شرایط دقیق، پیوندهای سرسخت فلز-نیتروژن سرانجام توانستند با سیالیت لازم جدا شده و دوباره متصل شوند.[1][6]

شواهد موفقیت آن‌ها از نظر بصری چشمگیر است. میکروسکوپ الکترونی و پراش اشعه ایکس، تشکیل نانوذرات نیترید گالیوم بسیار کریستالی و یکنواخت را تأیید کردند. این ساختارها به قدری کوچک هستند که میلیون‌ها تا میلیاردها از آن‌ها می‌توانند به راحتی روی سطح یک ناخن انسان جای بگیرند.[2]

نکته مهم این است که بسته شواهد نشان می‌دهد این یک ناهنجاری یک‌باره نیست، بلکه یک پلتفرم سنتز تعمیم‌یافته است. تیم تحقیقاتی با موفقیت روش نمک مذاب را برای تولید تقریباً دوازده نانوکریستال نیترید فلزی مختلف به کار برد و تطبیق‌پذیری شیمی زیربنایی را اثبات کرد.[1][2]

فراتر از نیترید گالیوم، مواد سنتز شده جدید شامل نیترید تیتانیوم است که برای ایمپلنت‌های پزشکی بادوام بسیار ارزشمند است؛ نیترید نیوبیوم، یک ابررسانای حیاتی صنعتی؛ و نیترید مولیبدن، یک کاتالیزور شیمیایی همه‌کاره که در کاربردهای انرژی استفاده می‌شود.[2][4]

پیامد فوری این پیشرفت این است که نیترید گالیوم اکنون قابل پردازش در محلول است. با کوچک‌سازی این نیمه‌رسانای سخت به کریستال‌های در مقیاس نانو، این ماده می‌تواند در یک مایع کلوئیدی معلق شود و عملاً فناوری LED با عملکرد بالا را به یک جوهر قابل چاپ تبدیل کند.[2][6]

این امر افق را برای الکترونیک انعطاف‌پذیر واقعی باز می‌کند. به جای رشد LEDها روی ویفرهای سفت و سخت در داخل محفظه‌های خلاء، تولیدکنندگان می‌توانند به طور نظری GaN را مستقیماً روی پلاستیک‌های خم‌شونده چاپ جوهرافشان کنند، آن را در پارچه‌های هوشمند ببافند، یا برای دستگاه‌های نظارت بر سلامت پوشیدنی، آن را در پلیمرهای کشسان ترکیب کنند.[2][4]

پیامدهای اقتصادی نیز به همان اندازه قابل توجه هستند. تولید سنتی GaN نیازمند تکنیک‌های رسوب‌دهی بخار در دمای بالا، مانند رسوب‌دهی شیمیایی بخار آلی-فلزی (MOCVD)، لایه‌بندی شده بر روی بسترهای گران‌قیمت یاقوت کبود یا کاربید سیلیکون است. پردازش محلول می‌تواند به طور چشمگیری موانع ورود و هزینه تولید اپتوالکترونیک را کاهش دهد.[5][6]

با این حال، عدم قطعیت شفافی در مورد مقیاس‌پذیری صنعتی باقی می‌ماند. در حالی که شیمی بنیادی اکنون در ویال‌های آزمایشگاهی اثبات شده است، مقیاس‌بندی فرآیند سنتز نمک مذاب که نیازمند مدیریت آمونیاک تحت فشار بالا است، به مخازن صنعتی عظیم، موانع مهندسی شیمی پیچیده و حل‌نشده‌ای را معرفی می‌کند.[6]

علاوه بر این، ادغام دستگاه چالش‌های خاص خود را به همراه دارد. محققان با موفقیت «جوهر» خام را سنتز کرده‌اند، اما چاپ نمایشگرهای LED بسیار کارآمد و بدون نقص که با روشنایی شدید و طول عمر GaN حجیم سنتی رقابت کند، یک وظیفه مهندسی اثبات نشده باقی مانده است. الکترون‌ها باید به طور کارآمد بین نانوذرات چاپ شده حرکت کنند بدون اینکه انرژی خود را به دلیل مقاومت از دست بدهند.[3][6]

با وجود این چالش‌های مهندسی، انتشار مقاله در نیچر نشان‌دهنده یک تغییر پارادایم بنیادی در شیمی غیرآلی است. روش نمک مذاب با بازنویسی قوانین مربوط به اینکه چه موادی می‌توانند کوچک‌سازی شوند، راه را برای نسل جدیدی از فناوری‌های فراگیر، انعطاف‌پذیر و قابل چاپ هموار می‌کند.[1][6]