جامعة برينستون تُطوّر شبه موصل قابل للبرمجة يُغيّر خصائصه الإلكترونية عبر الضوء

طوّر باحثون في جامعة برينستون نوعًا رقيقًا من أشباه الموصلات يمكن برمجته ومحو برمجته وإعادة برمجته باستخدام أطوال موجية مختلفة من الضوء. وعلى عكس أشباه الموصلات التقليدية التي تكون خصائصها الكهربائية ثابتة إلى حد بعيد بمجرد تصنيعها، فإن هذه المادة الجديدة قابلة للتعديل المتكرر. وجمع فريق البحث بين شبه موصل ثنائي الأبعاد وجزيئات مستجيبة للضوء. وعند تعريض هذه الجزيئات لأطوال موجية محددة من الضوء، تتغير بنيتها. وهذا التغير يُعدّل الخصائص الإلكترونية والبصرية لشبه الموصل، مما يتيح التحكم في استجابته دون الحاجة إلى إعادة بناء المادة.

يرى الباحثون أن هذا قد يؤدي في نهاية المطاف إلى إمكانية تغيير وظائف الأجهزة الإلكترونية بعد تصنيعها، بدلاً من أن تُحدد بشكل دائم أثناء عملية التصنيع.

أسلوب جديد للتحكم بأشباه الموصلات عبر الضوء

يفتح الضوء أسلوبًا جديدًا للتحكم بأشباه الموصلات. وقال شيان شي (Saien Xie)، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب والمؤلف الرئيسي للدراسة: "الخطوة الأولى نحو ابتكار مواد ذكية هي القدرة على الاستجابة. فالأنظمة الحية ذكية للغاية لأنها تستشعر محيطها وتستجيب له باستمرار. نرغب في ابتكار مادة قادرة على الاستجابة للمؤثرات الخارجية بطريقة مماثلة، بدلًا من أن تظل ثابتة بشكل دائم." كما تتجاوز هذه المادة السلوك الثنائي للمفاتيح الإلكترونية التقليدية؛ إذ لا تقتصر استجابتها على حالتي التشغيل والإيقاف، بل يمكن ضبطها تدريجيًا، ثم عكس حالتها باستخدام الضوء.

وقال جي (Ji): "بإمكاننا ضبط استجابة المادة تدريجيًا، ثم عكس العملية." وتنبع هذه القدرة من التفاعل بين شبه الموصل والجزيئات المرتبطة به. فأثناء تغير بنية الجزيئات، تتغير موصلية شبه الموصل واستجابته للضوء، مما يمنح الباحثين وسيلة لتعديل خصائصه ديناميكيًا.

إمكانات الأجهزة الإلكترونية القابلة للبرمجة

يحمل هذا البحث أهمية خاصة للأجهزة الإلكترونية القابلة للبرمجة، إذ إن تغيير سلوك الجهاز عادة ما يتطلب أجهزة أو دوائر مختلفة. ونجح فريق البحث في تصنيع رقاقة متجانسة من شبه الموصل بأبعاد 1 بوصة في 1 بوصة. وباستخدام هذه المادة، أنشأ الباحثون مصفوفات من المفاتيح الإلكترونية القابلة للبرمجة، مما يُظهر أن السلوك المتحكم به بالضوء يمكن إدراجه في هياكل وظيفية، وليس محصورًا في العينات المخبرية الصغيرة فحسب. وتتمثل الخطوة التالية في ربط هذه المفاتيح بدوائر كهربائية. وبما أن الدوائر تُعد اللبنات الأساسية لبناء أنظمة إلكترونية أكثر تعقيدًا، فإن إثبات عمل دائرة كاملة سيقرّب هذه التقنية من الأجهزة العملية.

يتخيل الباحثون أن الأجهزة الإلكترونية يمكن تعديلها بعد خروجها من خط التصنيع. Cela permet au même matériel d'assumer différentes fonctions sans qu'il soit nécessaire de concevoir un nouveau semi-conducteur pour chaque application. Dit Xie : « Notre vision à long terme est de construire des appareils électroniques dont les fonctions ne sont plus fixées au cours du processus de fabrication. Nous voulons concevoir des appareils dont les caractéristiques peuvent être reconfigurées dynamiquement après la fabrication. Ce travail représente une étape importante vers la réalisation de cet objectif. » لا يزال هذا النهج في مراحل البحث المبكرة. وتظهر العروض الحالية مفاتيح شبه موصل قابلة للبرمجة، في حين يظل دمجها في دوائر متكاملة أكبر وأجهزة إلكترونية كاملة هدفًا مستقبليًا.

إذا أمكن توسيع نطاق هذه التقنية، فقد يوفر الضوء طريقة جديدة للتحكم في خصائص أشباه الموصلات دون الحاجة إلى تعديل مادي للمادة الأساسية. وسيمهد ذلك الطريق أمام أجهزة إلكترونية أكثر قدرة على التكيف مقارنة بالرقائق ذات الوظائف الثابتة الحالية.

نُشرت الدراسة بعنوان «شبه موصل ثنائي الأبعاد قابل للبرمجة ضوئيًا على نطاق واسع، مُ functionalities بجزيئات变色 (تغير لوني)»، في مجلة Science Advances.

آفاق أشباه الموصلات القابلة للبرمجة ضوئيًا

أظهرت هذه الدراسة إمكانات التحكم في خصائص أشباه الموصلات عبر الضوء, which not only enhances the flexibility of electronic devices but also reduces the need for new hardware. 随着技术的进步، قد تصبح الأجهزة الإلكترونية المستقبلية أكثر ذكاءً، وقادرة على تعديل وظائفها ديناميكيًا استجابة للتغيرات البيئية. وبالنسبة إلى سوق التكنولوجيا سريع التطور، يعني ذلك مرونة وكفاءة أعلى، وقد يُغير فهمنا الأساسي لتصميم الأجهزة الإلكترونية.