قدم فريق من العلماء من جامعة جنوب الأورال الحكومية - بوريس بوليفوي، وديمتري زيريبتسوف، وديمتري جيفولين، ودانيل نيناروكوموف، وألكسندر فورونتسوف، بالإضافة إلى ديمتري غودوفسكي من موسكو - تقنيةً لإنتاج أفلام مقاومة للضوء تعتمد على كبريتيد الكادميوم والرصاص باستخدام الترسيب الفراغي.
للتذكير، المقاومة الضوئية – هي خاصية تجعل المادة ضعيفة التوصيل للكهرباء في الظلام، ولكنها تصبح أكثر توصيلًا عند تعرضها للضوء. كلما زاد سطوع الضوء، انخفضت المقاومة. يرى المهندسون المعاصرون فوائد محتملة لهذه التقنية في مجال تكنولوجيا المعلومات. فعند ترسيب مادة مقاومة للضوء كغشاء رقيق على ركيزة من السيليكون، على سبيل المثال، ينتج عن ذلك شريحة إلكترونية يمكن التحكم بها بواسطة شعاع ضوئي، أو مستشعر يستجيب للظروف البيئية.
يُعرف نوعان من المواد المقاومة للضوء: كبريتيد الرصاص وكبريتيد الكادميوم، ولكل منهما خصائصه المميزة. يُعدّ كبريتيد الرصاص من أكثر المواد حساسيةً في نطاقي الطيف المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة. أما كبريتيد الكادميوم، فيُظهر أداءً استثنائيًا في نطاق الأزرق والأخضر من الطيف.
ماذا لو استطعنا الجمع بين خصائصهما؟ لتحقيق ذلك، يتم تحضير محلول صلب من الكبريتيدين. ومن خلال ضبط نسب كبريتيد الرصاص وكبريتيد الكادميوم، يُمكن تصميم تركيبة الفيلم لتناسب الجزء المطلوب من طيف الضوء.
يُعدّ التخليق الكيميائي لمثل هذه الأفلام غير عملي في مجال الإلكترونيات. لذا، اقترح فريق من علماء الأورال استخدام طرق الفراغ - الترسيب بالرش المغناطيسي والتبخير بشعاع الإلكترون. تُعدّ هذه الطرق الأنسب لتصنيع الرقائق الإلكترونية الحديثة.
خلال التجربة، قام العلماء بتحضير نوعين من الأفلام.
باستخدام تقنية الترسيب بالرش المغناطيسي للتيار المستمر، تم ترسيب أغشية تحتوي على %4 كادميوم على ركائز من السيراميك الزجاجي والسيليكون المؤكسد. تراوحت سماكة الأغشية بين 50 و500 نانومتر. وللمقارنة، تم ترسيب أغشية تحتوي على %12 كادميوم على نفس العينات باستخدام التبخير بشعاع الإلكترون.
بعد الترسيب، خضعت بعض العينات للمعالجة الحرارية عند 250 درجة مئوية لمدة ساعة لتحسين خصائصها. ثم تم ترسيب موصلات كهربائية من النيكل على الأغشية.
أظهرت الأغشية (الافلام) التي تحتوي على %4 كادميوم، والمصنعة بتقنية الترسيب بالرش المغناطيسي، أفضل خصائص مقاومة ضوئية. عند ترسيبها على ركائز السيليكون، أظهرت استجابة ضوئية سريعة للغاية بلغت 25 ميكروثانية فقط! ومع ذلك، اختلف مستوى مقاومتها في الظلام عنها في الضوء بمقدار خمسة أضعاف. أما ركائز السيراميك الزجاجي فقد أعطت نتائج أضعف.
لماذا تفوق السيليكون على السيراميك الزجاجي؟ لأن ركيزة السيليكون ليست مجرد دعامة ميكانيكية. من المرجح أن تتشكل وصلة غير متجانسة عند السطح الفاصل بين الفيلم والسيليكون، وهي بنية تسهل بدورها فصل الشحنات الكهروضوئية. وهذا يفتح المجال أمام دمج طبقات مقاومة ضوئية مباشرة في رقائق السيليكون.
مع ذلك، لم تُظهر الأغشية المُرَسَّبة بتقنية التبخير بشعاع الإلكترون أي تأثير للمقاومة الضوئية. ويعتقد العلماء أن شعاع الإلكترون القوي قد سخّن المادة بشكل مفرط، مما أدى إلى تدمير بنيتها الحساسة للضوء. ورغم أن هذه الطريقة أنتجت أغشية من كبريتيد الكادميوم النقي، إلا أنها استجابت للضوء ببطء شديد: في غضون 125-500 ميكروثانية بدلاً من 25 ميكروثانية.
يجعل زمن الاستجابة البالغ 25 ميكروثانية (25 μs) هذه الأغشية مناسبة لتطبيقات مثل الكشف عن الشرر واللهب وأشعة الليزر.
نُشرت هذه الدراسة في مجلة فيستنيك التابعه لجامعة جنوب الأورال الحكومية ، ضمن سلسلة «الرياضيات. الفيزياء. الميكانيكا».