التعريف باللغتين الإلكترونية العالية الطبع

وقد عزلت شركة Graphene، وهي عبارة عن نسيج ثنائي من الكربون يتألف من طبقة واحدة من الذرات مرتبة في سلالة حلاقة في سداسيون، في عام 2004 أول مرة من قبل أندريه غيم وكونستانتين نوفوسلوف في جامعة مانشيستر، حيث كان هذا الاكتشاف يكسبها جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2010 ويشعل طفرة في البحوث العالمية في ممتلكاتها الاستثنائية.

فالأجهزة الإلكترونية العالية الحرارة هي مكونات حاسمة في صناعات تتراوح من الفضاء الجوي والسيارات إلى إنتاج الطاقة وحفر أعماقها، ويجب أن تعمل الأجهزة في هذه الميادين بصورة موثوقة عند درجات حرارة تتجاوز 200 درجة مئوية، وكثيرا ما تكون في وجود بيئة مسببة للإهتزازات والإشعاع والارتفاع، وتعاني شبه الموصلات التقليدية مثل السيليكون (Si) من تدهور شديد في الأداء يتجاوز 150 درجة مئوية نتيجة لزيادة مرونة الناقلات المركبة

إن الأثر المحتمل للغرافينيين في الإلكترونيات الصناعية العالية التمرين واسع، فمن الرصد في الوقت الحقيقي في محركات الطائرات إلى أجهزة استشعار قوية في الآبار الحرارية الأرضية، يمكن للمكونات القائمة على الرسوم البيانية أن تحسن كثيرا موثوقية النظم وكفاءتها وعمرها، وتستكشف هذه المادة الخصائص الرئيسية التي تجعل من الرسم البياني ملائما لهذه البيئات القاسية، وتستعرض أكثر مجالات التطبيق واعدا، وتناقش التحديات التي يجب معالجتها قبل أن يحدث اعتماد صناعي واسع النطاق.

ففهم سبب احتياج الجير في الأجهزة الإلكترونية ذات التمرين العالي يتطلب نظرة على خصائصه المادية والكيميائية الأساسية، وتكتسي الخصائص التالية أهمية خاصة بالنسبة للنشر الصناعي.

ارتفاع معدل السلوك الحراري

وتمتلك شركة " غرافين " واحدة من أعلى المواصفات الحرارية المعروفة فيما بين جميع المواد، التي تقاس بنحو 000 5 دبلوم و/م/م/م/م/ك، وهي تزيد كثيرا عن نسبة النحاس (400 دبليو/م ك) والماس (2200 دبليو/م ك) وتتناقص درجة الحرارة الحرارية في الغرافيين ولكنها لا تزال مرتفعة بشكل ملحوظ بسبب هيمنة وسائل النقل الإلكترونية.

السلوكيات الكهربائية الاستثنائية

أما الصواريخ التي تعمل في الغرافينيا، فهي بمثابة خصوبة ديراكية لا تكترث، مما يتيح للناقلات التي تتجاوز 000 200 سم2/V، في ظل ظروف بريستية، وحتى عندما تكون مدعومة في قنوات فرعية مثل ثاني أكسيد السيليكون، فإن المنظومات لا تزال في عشرات الآلاف، وفي درجات حرارة عالية، فإن انخفاضات الحركة بسبب زيادة المزيجفوني، ولكن الغرافيين لا يزالون الأكثر بروزا.

القوة الميكانيكية والتقلب

إن غرافين هي أقوى المواد التي تم قياسها على الإطلاق، حيث يبلغ قوامها نحو ١٣٠ غيغاغابا وشعار يونغ من نوع تي بي أي واحد، وعلى الرغم من هذا القوام المتطرف، فإنه يتسم أيضا بقدر كبير من المرونة ويمكن أن يتحمل الضغط الذي يصل إلى ٢٠ في المائة دون كسر، أما بالنسبة للالكترونيات الصناعية التي قد تكون خاضعة للصدمة الميكانيكية، أو للتشغيل الحراري، فإن النزاهة الإلكترونية مكفولة.

القابلية للاختزال الكيميائي

كما أن التكتل المغناطيسي المختلط للكربون المشبع بالجرفين هو بطيء كيميائي في ظروف كثيرة، ويقاوم التكهن حتى نحو 400 درجة مئوية في الهواء، وفي أجواء غير مأمونة، يظل مستقراً إلى درجة أعلى بكثير من درجات الحرارة (]) دراسة النانو لجهاز التلقيم الكيميائي ) وهذه القدرة على الصمود الكيميائية حاسمة بالنسبة للبيئات الصناعية التي تنطوي على انبعاثات عالية.

طلبات غرافين في الإلكترونيات العالية التخصص

إن الجمع الفريد بين الممتلكات المذكورة أعلاه يتيح طائفة واسعة من التطبيقات الصناعية، ونورد أدناه تفاصيل المجالات الأكثر واعدة التي يقوم فيها الرسم البياني أو يُزمع أن يحدث فيها أثرا كبيرا.

أجهزة الاستشعار ذات الطبيعة العالية

(أ) أن أحد أكثر الفرص إلحاحاً للغرافيين هو أجهزة الاستشعار التي يجب أن تعمل في بيئات حرارية قصوى، مثلاً، فإن محركات الطائرات والتركيبات الغازية تتطلب ضغطاً ودرجات حرارة وتركيب الغازات التي يمكن أن تعمل عند درجة حرارة 500 مئوية أو أكثر.

نظم الإدارة الحرارية المتقدمة

كما أن الأجهزة الإلكترونية أصبحت أكثر قوة وأقل حجما، فإن التشت الحراري يصبح عاملاً مقيداً، إذ أن سمية غرافين العالية تجعلها مادة مثالية لحلول الإدارة الحرارية في الإلكترونيات الصناعية ذات الطاقة العالية، حيث تُستخدم أفلام الترميز التي تنتج في كثير من الأحيان عن طريق التحلل الحراري أو عن طريق خفض أكسيد الغرافيين كمبيدات حرارية عالية،

العناصر الإلكترونية الآلية للفضاء الجوي والسيارات

(أ) [الصناعات الفضائية الجوية والسيارات تتجه بشكل متزايد إلى استخدام الإلكترونيات التي يمكن أن تنجو في ظل غطاء المحرك أو في مقصورة المحرك، حيث يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة 300 درجة مئوية.

أجهزة تخزين الطاقة للبيئات العالية التأقلم

كما أن تخزين الطاقة هو مجال آخر يتيح فيه استقرار درجة الحرارة العالية للغرافين ميزة رئيسية، كما أن بطاريات الليثيوم - الأسيون تعاني من مخاطر الشيخوخة والسلامة في درجات الحرارة المرتفعة، كما أن المكثفات السطحية التي تستخدم في الجرافين تعمل على مدى حرارة واسعة (40 درجة مئوية إلى +80 درجة مئوية في الأجهزة التجارية) وتمتد إلى درجة حرارة أعلى باستخدام أجهزة الحفر السيولة.

التحديات والمنظورات المستقبلية

وعلى الرغم من إمكاناته الاستثنائية، فإن إدماج الرسم البياني في الإلكترونيات الصناعية ذات الحرارة العالية يواجه عدة عقبات هامة يجب التغلب عليها من خلال مواصلة البحث والتطوير.

إنتاج المواد ونوعيتها

ولا يزال إنتاج مادة الغرافيين عالية الجودة بكميات كبيرة بتكلفة معقولة يمثل تحديا، إذ أن أساليب مثل التطهير الميكانيكي للمنتجات البكرانية، ولكنها غير قابلة للتصعيد، ويمكن أن ينتج نمو الفول السوداني على الفلفل المعدنية أفلاماً ذات مناطق كبيرة، ولكن نقلها إلى مبان فرعية دون إدخال عيوب أو مصاريف أو تلوث، أمر صعب.

الاتساق المادي وإمكانية التكاثر

وبالنسبة للتبني الصناعي، يجب أن تكون لكل دفعة من الرسوم البيانية نفس الخصائص الكهربائية والحرارية، وكثيرا ما تنتج طرق الإنتاج الحالية مواد ذات تفاوتات كبيرة في عدد الطبقات، وكثافة العيوب، ومستوى التكثيف، وتوحيد بروتوكولات التميز - مثل مطياف الرامان، ومقاومة الأوراق، وقياسات السلوك الحراري - وهي معايير أساسية لمراقبة الجودة، وتعمل منظمات مثل المنظمة الدولية للتوحيد القياسي على معايير أوسع نطاقا/التوحيد القياسي.

التكامل مع عمليات التصنيع القائمة

:: إدماج مادة الغرافيين في خطوط التصنيع شبه الموصل التقليدية غير متقطعة، فالغرافين حساسة بالنسبة للكثير من المواد الكيميائية المستخدمة في التصوير الضوئي وما إلى ذلك، ويمكن أن تؤدي عمليات النظافة النموذجية إلى إلحاق الضرر بالمواد أو تلوثها، كما أن تدفقات العمليات الجديدة - مثل النقل الجاف أو اللوز أو تقنيات الكتابة المباشرة - يجري تطويرها للتحايل على هذه المسائل، مما يجعل الاتصالات الكهربائية الموثوقة تحت سطحية.

Bandgap Engineering

فعدم وجود فصيلة من الشقيق يحد من استخدامه في المنطق الرقمي لأن المترجمين لا يمكن إيقافهم تماما، مما يؤدي إلى تيارات عالية من التسرب خارج الدولة في درجات حرارة مرتفعة، وفي حين أن تطبيقات الأشعة المتماثلة والمجسات يمكن أن تتسامح مع ذلك، فإن العديد من الأجهزة الالكترونية الصناعية تتطلب مفاتيح ذات معدلات عالية في الوصلات أو غير واضحة.

التكلفة والقابلية للرؤية الاقتصادية

وفي الوقت الراهن، فإن إنتاج مادة الغرافيين عالية الجودة هو أكثر تكلفة من المواد شبه الموصلية التقليدية، إذ أن تكلفة الأفلام التصويرية في إطار اتفاقية فيينا تبلغ عدة دولارات في المائة من المقياس المربع، مقارنة بقطع النسيج للسيليكون، إذ إن من الممكن أن تزيد أحجام الإنتاج وأن تقل الكثافة الزمنية للارتفاع في أسعار المواد الصناعية، وتوحي التنبؤات الصناعية بأن تطبيقات أسعار المواد الصناعية ترتفع إلى أعلى.

الموثوقية والاستقرار الطويل الأجل

وفي حين أن الرسم البياني نفسه مستقر كيميائياً، فإن مجموعة الأجهزة الكاملة - بما في ذلك المقاطع الفرعية والكهرباء والقطع ومواد الترابط - تتميز أيضاً بدرجة حرارة عالية لألف ساعة، كما أن بيانات الموثوقية الطويلة الأجل للأجهزة الالكترونية القائمة على الرسوم البيانية في البيئات الصناعية شحيحة، إذ يلزم إجراء اختبارات سريعة على مدى العمر تحت الضغط الحراري والكهربائي والميكانيكي لبناء الثقة بين المستخدمين النهائيين الصناعيين بـين.

خاتمة

وتضع الخواص الكهربائية والحرارية والميكانيكية التي تخص غرافين كمواد تحويلية للكترونات العالية الحرارة في التطبيقات الصناعية، وتظل قدرتها على الحفاظ على حركة ناقلات عالية، وتحلل حراري فعال، وعدم قدرة المواد الكيميائية على الارتفاع في درجات الحرارة، مزايا واضحة على الموصلات شبه الموصلات التقليدية، بل وحتى البدائل الناشئة مثل نظام سيك وشبكة غاناموس، وتظهر التطبيقات الاصطناعية في أجهزة قوية للتصنيع،

وسيتطلب المسار إلى التبني الصناعي بذل جهود منسقة على نطاق الأوساط الأكاديمية والصناعة وهيئات التوحيد، ونظراً إلى أن أساليب الصنع ناضجة وأن هندسة الأجهزة الجديدة قد تطور، فمن المرجح أن يجد الرسم البياني أول موطئ قدم له في التطبيقات التي تفشل فيها المواد التقليدية بصورة أساسية، وسيكون العقد القادم حاسماً: إذ يمكن أن يكون العرض الناجح للأجهزة الالكترونية ذات التمرين العالي في البيئات الصناعية في العالم الحقيقي - مثل رصد المحركات والاستشعار عن بعد بذور، والتوسع في استخدام الطاقة الكهربائية -

For further reading on graphene production and its industrial applications, consider the original isolation paper in Nature] and reviews from Nano Letters on high-temperature graphene electronics.]