מחקר חדשני אודות שכבות זהב דקיקות חשף התנהגות חדשה מסוג נְהוֹרָנוּת אוֹרִית (photoluminescence) תוך קידום ההבנה שלנו באשר למדידה של טמפרטורה וכן תגובות כימיות ברמה הננומטרית
[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]
פריצת דרך זו מקדמת את השימוש של מתכות בחקר אנרגיה ומציעה שיטות חדשות למדוד את התהליכים המתחוללים על פני השטח שהינם חיוניים לפיתוח של תאים סולאריים.
חוקרים מבית הספר הפוליטכני הפדרלי של לוזאן (EPFL) יצרו את המודל המפורט הראשון המסביר את ההשלכות הקוונטום-מכאניות הגורמות לקיומה של תופעת הנְהוֹרָנוּת האוֹרִית בשכבות זהב דקיקות. נְהוֹרָנוּת, התהליך שבמסגרתו חומרים פולטים פוטונים בחשיפה לאור, נצפה זה זמן רב בחומרים מוליכים למחצה, כגון צורן (סיליקון).במהלך תופעה זו מעורבים אלקטרונים אשר בולעים אור ברמה הננומטרית ובסופו של דבר פולטים אותם מתוך החומר. התנהגות זו מספקת לחוקרים תובנות רבות באשר לתכונות של מוליכים למחצה והפיכתם של אלו לאמצעים שימושיים למדידת תהליכים אלקטרוניים, כמו אלו המתחוללים בתאים סולריים וסוללות.
התנהגות כזו מספקת לחוקרים תובנות יקרות ערך באשר לתכונות של מוליכים למחצה, מה שהופך אותם לכלים יעילים למדידת תהליכים אלקטרוניים, כגון אלו המשמשים בתאים סולאריים. בשנת 1969 מדענים גילו כי כל המתכות פולטות קרינת אור ברמה מסוימת, אולם לאורך השנים המדענים לא הצליחו למצוא הבנה ברורה לאופן של התופעה הזו.
עניין מחודש זה בפליטת אור, הנגזר מתוך מיפוי טמפרטורה ויישומים פוטוכימיים, הצית מחדש את המחלוקת מסביב למקור התנהגות זו. אולם, התשובה עדיין לא ברורה, עד עכשיו.
“הצלחנו לפתח שכבות זהב באיכות גבוהה, אשר מעמידות אותנו במצב ייחודי, המאפשר לנו לחקור את התהליך הזה מבלי להתייחס לניסויים קודמים”, אומרת מנהלת המעבדה לננו כימיה עבור טכנולוגיות אנרגיה בבית הספר להנדסה [LNET].
המחקר חדש של החוקרת מתמקד באלומת לייזר שכוונה לשכבות זעירות במיוחד של זהב – בין 13 ל-113 ננומטרים – ולאחר מכן ניתוח הזוהר שפלט. הנתונים שנאספו מהניסויים של החוקרים היו כל כך מפורטים – וכה מפתיעים – שהובילו את החוקרים לשתף פעולה עם מדענים בתחום התיאוריה.
הגישה המפורטת של החוקרים אפשרה להם להתמקד בחקר סוג הנהורנות הנוצרה מהשכבות המאירות – המוגדרת על ידי האלקטרונים הספציפיים והשותפים שלהם המנוגדים להם במטען החשמלי[חורים] וההתנהגות שלהם בחשיפה לאור. החוקרים גם הצליחו לייצר את המודל המלא והשלם הראשון אי פעם של תופעה זו בזהב, מודל שניתן ליישום עבור כל מתכת אחרת.
החוקרת הראשית מסבירה כי שימוש בשכבה דקיקה של זהב חד-גבישי שהם הצליחו לייצר המתבססת על שיטה סינתטית חדשה, אשר אפשרה להם לחקור את התהליך הפוטולומינסנצי ככל שהם הפחיתו את העובי יותר ויותר. “הצלחנו לצפות בהשפעות קוונטיות-מכאניות מסוימות הנובעות משכבות בעובי של 40 ננומטרים, שהיו בלתי צפויות כי באופן רגיל עבור מתכת, לא נתקלים בהשפעות כאלו עד שמגיעים לגודל של פחות מעשרה ננומטרים”, אומרת החוקרת.
תצפיות אלו מספקות מידע מפתח באשר לאופן ולמיקום המדויק שבו התהליך מתרחש הזהב, תנאים מקדימים הכרחיים לשימוש בשכבות אלו כגלאי. תוצאה בלתי צפויה נוספת של המחקר היתה התגלית כי אות הנהורנות של הזהב יכול לשמש כדי למדוד את הטמפרטורה של פני השטח של החומר, מדד חשוב עבור מדענים העוסקים בתחום הננו.
“עבור תגובות כימיות רבות המתרחשות על פני השטח של מתכות, קיימת מחלוקת גדולה באשר לשאלה באילו תנאים תגובות אלו מתרחשות. טמפרטורה היא מדד מפתח, אולם מדידת טמפרטורה ברמה ננומטרית מהווה אתגר גדול מאוד, מאחר וגלאי הטמפרטורה עצמו יכול להשפיע על המדידה עצמה. על כן, זהו יתרון גדול להיות מסוגל למדוד את החומר תוך שימוש בחומר עצמו כגלאי,” מציינת החקרת הראשית.
מתכות, כגון זהב ונחושת יכולות ליזום תגובות מפתח מסוימות, כגון החיזור של פחמן דו-חמצני חזרה למוצרים מבוססי-פחמן, כמו דלק סולארי, המאחסן אנרגיה סולארית בצורת קשרים כימיים.
“כדי להיאבק בשינוי האקלים, אנו נצטרך טכנולוגיות שיצליחו להמיר פחמן דו-חמצני לחומרים שימושיים אחרים באפן כזה או אחר,” אומרת אחת מהחוקרות.
“שימוש במתכות הוא אחד מאופנים לעשות זאת, אולם אם לא תהיה לחוקרים הבנה טובה לאופן שבו תגובות אלו מתרחשות על פני השטח, אזי לא נוכל לשפר אותם. נהורנות מציעה דרך חדשה להבין בדיוק כיצד תופעה זו מתקיימת במתכות אלו”.
עוד בנושא באתר הידען:
תגובה אחת
התרגום כמעט בלתי קריא.