حقق فريق مختبر النمذجة متعددة المقاييس للمواد الوظيفية متعددة المكونات بجامعة جنوب الأورال الحكومية خطوةً هامةً في فهم خصائص كربيد السيليكون ثنائي الأبعاد. درس العلماء كيفية تأثير العيوب النقطية (الفراغات) في الطبقات الأحادية من هذه المادة على خصائصها الإلكترونية والمغناطيسية. يُعد هذا العمل أساسيًا لتطوير الإلكترونيات النانوية والإلكترونيات الدورانية.
«توضح إيكاترينا بارتاشيفيتش، قائدة المشروع والباحثة الرئيسية في مختبر النمذجة متعددة المقاييس للمواد الوظيفية متعددة المكونات: يُعد هذا البحث جزءًا من مشروع أساسي أوسع نطاقًا مُخصص لدراسة خصائص ما يُسمى بـ'روابط التتريل' – وهي تفاعلات غير تساهمية تتكون من ذرات مجموعة الكربون الفرعية (الكربون، والسيليكون، والجرمانيوم، والقصدير). يُعدّ فهم هذه التفاعلات الذرية الضعيفة أمرًا بالغ الأهمية للتنبؤ بخصائص مواد السيليكون والكربون، بدءًا من قدرة المواد الماصة المصنوعة منها على الاحتفاظ بالجزيئات ذات الأهمية الوظيفية، وصولًا إلى تنشيط الأسطح البينية للتفاعلات الكيميائية.
لقد سعينا إلى التركيز تحديدًا على خصائص الروابط الكيميائية للتنبؤ بالتفاعلات القوية والضعيفة لمواد السيليكون والكربون مع مختلف المكونات. انصبّ تركيزنا على العيوب، أي الحالات التي تغيب فيها ذرة عن شبكة كربيد السيليكون المتصلة. ووجدنا أن هذه «الفراغات» تجعل المادة أكثر نشاطًا في بعض الأحيان، بينما في أحيان أخرى، على العكس، يُعاد ترتيب البنية وتُصلح نفسها، مما يمنع التنشيط المطلوب».
كانت النتيجة الرئيسية للدراسة فهم الآليات الكامنة وراء ظهور المغناطيسية في الطبقات الأحادية المعيبة. وباستخدام النمذجة الكيميائية الكمومية، أثبت الفيزيائيان سيرجي سوزيكين وفلاديمير تسيريلسون، المشاركان في تأليف المشروع، أن هذا التأثير يعتمد أساسًا على نوع الذرة المُزالة.
فعند إزالة ذرة سيليكون من الشبكة البلورية، تدخل ذرات الكربون المجاورة في حالة إثارة مع إلكترونات غير مزدوجة. ويؤدي هذا إلى تكوين حالات مستقرة ذات استقطاب مغزلي، فتكتسب المادة مغناطيسية موضعية.
أما عند فقدان الشبكة البلورية لذرة كربون، فإن بنيتها عادةً ما تُعاد ترتيبها، مُكَوِّنةً روابط كيميائية جديدة، فتُكبح المغناطيسية.
«علق سيرجي سوزيكين، الدكتور في العلوم الفيزيائية والرياضيات، والأستاذ المشارك في قسم فيزياء الأنظمة النانوية، والباحث الأول في قسم الابتكار: لقد بيّنا أن ظهور المغناطيسية لا يمكن وصفه بمجرد ذكر وجود عيب. بل من الضروري دراسة كيفية إعادة توزيع كثافة الإلكترونات بدقة. تعتبر الفراغات السيليكونية طريقة فعالة لـ «تشغيل» الخصائص المغناطيسية في كربيد السيليكون ثنائي الأبعاد».
لعب البروفيسور فلاديمير تسيريلسون، المتخصص في الكيمياء الكمية، وكيمياء البلورات، ونظرية الروابط الكيميائية، والحاصل على دكتوراه في الفيزياء والرياضيات، ورئيس قسم الكيمياء الكمية في الجامعة الروسية باسم د. إ. مينديليف للتكنولوجيا الكيميائية، دورًا محوريًا في هذه الدراسة. فقد مكّنت المؤشرات الإلكترونية التي طورها واقترحها العلماء ليس فقط من نمذجة سلوك طبقات السيليكون والكربون الأحادية ذات الدورية ثنائية الأبعاد، بل أيضًا من الاقتراب أكثر من التنبؤ بدقة بخصائص هذه المواد.
«تضيف إيكاترينا بارتاشيفيتش: في هذه المرحلة، نهتم بشكل خاص بالتنبؤ بزيادة تفاعلية ذرات السيليكون والكربون في هذه البنى ثنائية الأبعاد. ويمكننا بالفعل تقييم كيفية تفاعل العيوب مع مختلف الجزيئات العضوية».
ويؤكد الفريق أن التحدي الرئيسي، وفي الوقت نفسه الميزة الأساسية، لهذا العمل يكمن في دمج النظرية والتجربة. فغالبًا ما يفتقر الباحثون إلى البيانات التجريبية اللازمة للتحقق من صحة نماذجهم المعقدة. العلماء منفتحون على الشراكات ويبحثون عن تعاون مع مجموعات تجريبية فيزيائية كيميائية لاختبار تنبؤاتهم والنهوض بشكل مشترك بإنشاء أنواع هجينة جديدة.
تفتح البيانات المُستخلصة آفاقًا جديدة لاستخدام طبقات كربيد السيليكون الأحادية في الإلكترونيات النانوية والإلكترونيات الدورانية، حيث يُعدّ التحكم في حالات الدوران على المستوى الذري أمرًا بالغ الأهمية. ويمكن الآن النظر إلى العيوب، التي كانت تُعتبر تقليديًا اضطرابات هيكلية غير مرغوب فيها، كأداة لضبط الخصائص الوظيفية للمواد المستقبلية بدقة.
وبناءً على هذه الدراسة، نُشرت المقالة بعنوان «كشف الخصائص الإلكترونية لطبقات كربيد السيليكون الأحادية ذات فراغات السيليكون/الكربون» في مجلة Physical Chemistry Chemical Physics (المصنفة ضمن الربع الثاني في سكوبس/ Scopus ، والربع الثاني في القائمة البيضاء).