أشباه الموصلات المصنعة في الفضاء: روسيا تنمي أولى أغشية البلورات خارج محطة الفضاء الدولية
© Photo / Twitter/Scott D. Tingle
تابعنا عبر
نجح علماء روس، ولأول مرة، في إنماء أغشية بلورية من أشباه الموصلات في الفضاء الخارجي، باستخدام جهاز صغير مُثبّت خارج محطة الفضاء الدولية، تختبر تجربة "إكران-إم" ما إذا كان الفراغ الاستثنائي في المدار قادرًا على إنتاج هياكل أشباه موصلات ذات شوائب وعيوب أقل من المواد المماثلة المصنعة على الأرض
لماذا تُنمّى أشباه الموصلات في الفضاء؟
تُشكّل أشباه الموصلات أساس الهواتف، وأجهزة الكمبيوتر، وأنظمة الاتصالات، وأجهزة الكشف، وأجهزة الاستشعار، والليزر، والخلايا الشمسية، بينما تعتمد الإلكترونيات المتطورة بشكل متزايد على طبقات رقيقة للغاية يجب التحكم في بنيتها بدقة متناهية، ذرةً بذرة.
لإنتاج هذه الطبقات، يستخدم الباحثون تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي، وهي تقنية نانوية يتم فيها ترسيب الذرات تدريجيًا على قاعدة بلورية تُسمى الركيزة. إذا تم التحكم في العملية بدقة، فإن الغشاء الجديد يتبع الشبكة البلورية تحته، ما يسمح للعلماء بإنشاء طبقات رقيقة، وهياكل غير متجانسة، وحفر كمومية، ومواد أخرى ذات خصائص إلكترونية مصممة بدقة متناهية.
تتطلب هذه الطريقة فراغًا فائق النقاء، لأن الأكسجين وبخار الماء وجزيئات أخرى محمولة جوًا قد تلتصق بالسطح النامي، أو تدخل شوائب غير مرغوب فيها، أو تُخلّ بترتيب الذرات، وعلى الأرض، يتطلب توفير مثل هذه الظروف أنظمة فراغ ضخمة ومعقدة ومكلفة، بعضها يشغل طوابق كاملة ويزن عدة أطنان.
يوفر الفضاء بالفعل فراغًا على نطاق هائل، ما يفتح آفاقًا واعدة، فبدلًا من إعادة خلق ظروف شبيهة بالفضاء داخل حجرات أرضية ثقيلة، يمكن للعلماء نقل جزء من عملية التصنيع إلى المدار.
تجربة "إكران-إم"
تم تطوير هذا المشروع من قِبل معهد رزانوف لفيزياء أشباه الموصلات التابع للفرع السيبيري للأكاديمية الروسية للعلوم، بالتعاون مع شركة إنيرجيا، ابتكر الباحثون جهاز النمو المداري من الصفر، نظرًا لضرورة أن يكون صغير الحجم، وخفيف الوزن، ومقاومًا للإشعاع، وقادرًا على العمل في بيئة انعدام الجاذبية.
وصل الجهاز إلى محطة الفضاء الدولية على متن مركبة الشحن بروجرس إم إس-32 في سبتمبر 2025، قام رائدا الفضاء سيرغي ريزيكوف وأليكسي زوبريتسكي بتركيبه خارج المحطة في 16 أكتوبر، ثم أزالا أول علبة، تحتوي على ست ركائز مغطاة بأغشية نامية، خلال مهمة في الفضاء في 28 أكتوبر، وتم إدخال علبة نظيفة فورًا لبدء دورة النمو الثانية التي تستغرق أسبوعين.
تشير كلمة "إكران"، التي تعني "الشاشة"، إلى جزء أساسي من التجربة، يعمل الجهاز خلف درع واقٍ يتحرك في الفضاء مع محطة الفضاء الدولية؛ ويتوقع الباحثون أن تحتوي المنطقة خلف هذا الحاجز على فراغ أنقى، لأن الشاشة سريعة الحركة تمنع وصول العديد من الذرات والجزيئات المتبقية إلى الغشاء النامي.
تنمية البلورات طبقة ذرية تلو الأخرى
في أول اختبار مداري لها، اختار الفريق "زرنيخيد الغاليوم"، وهو شبه موصل مدروس جيدًا يُستخدم في الليزر والثنائيات الضوئية والخلايا الشمسية. تعتمد التجربة على الترسيب المتجانس، أي أن الطبقة المترسبة والركيزة الأساسية لهما نفس التركيب الكيميائي، ما يوفر طريقة بسيطة وموضوعية نسبيًا لمقارنة العينات المُنمّاة في الفضاء بالمواد الأرضية المعروفة.
داخل الجهاز، يُسخّن الغاليوم والزرنيخ حتى يتبخرا، ثم تنتقل ذراتهما نحو الركيزة لتُشكّل طبقة بلورية رقيقة. على الأرض، تحافظ الجاذبية على المواد المنصهرة داخل أوعيتها؛ أما في بيئة انعدام الجاذبية، فقد تتجمع السوائل على شكل قطرات عائمة، مما يُعطّل العملية.
عالج الباحثون هذه المشكلة بتعديل المصادر الجزيئية، حيث وضعوا شبكة دقيقة فوق البوتقة التي تحتوي على المادة المُسخّنة. يمنع التوتر السطحي القطرات المنصهرة من المرور عبر الشبكة، بينما يمكن للغاليوم والزرنيخ الغازيين التسرب والانتقال نحو الركيزة.
تُجري المعدات الحالية عملية النمو تلقائيًا وفقًا لبرنامج مُحدد مسبقًا، وعلى عكس الأنظمة الأرضية الكاملة، فهي لا تتضمن أدوات تسمح للعلماء بمراقبة الغشاء باستمرار وتصحيح معايير التشغيل أثناء نموه، وهو قيد تفرضه متطلبات الحجم والوزن الصارمة لرحلات الفضاء.
لماذا يُمكن للفضاء إنتاج أغشية أنقى؟
تُظهر حجرات الترسيب الجزيئي الأرضي ما يُسميه الباحثون "تأثير الذاكرة"، إذ يُمكن للمواد المُترسبة خلال تجربة ما أن تبقى على الجدران الداخلية للحجرة، ثم تنفصل لاحقًا وتُلوث غشاءً آخر بشوائب غير مُتحكم بها. ولذلك، قد يكون من الضروري استخدام حجرات منفصلة عند العمل مع عناصر كيميائية مختلفة.
لا تحتوي المنشآت في الفضاء المفتوح على نفس الجدران المُغلقة التي تُحيط بالمادة النامية، لذا يُمكن للذرات غير المُستخدمة والمركبات السامة المُحتملة أن تتحرك بعيدًا بدلًا من التجمع داخل الجهاز، ويتوقع الباحثون أن يُؤدي هذا الاختلاف، بالإضافة إلى جودة الفراغ المداري، إلى إنتاج أغشية أنقى ذات بنى بلورية أكثر انتظامًا.
مع ذلك، يُضيف الفضاء عوامل عدم يقين خاصة به، فقد أثرت الاهتزازات الدقيقة من محطة الفضاء الدولية على تجارب نمو البلورات السابقة، بينما يُمكن أن يُؤثر الإشعاع الكوني وظروف مدارية أخرى على المادة أيضًا، وصُممت الشاشة الواقية لحجب الجسيمات غير المرغوب فيها، لكن الباحثين لن يعرفوا التأثير الكامل للبيئة إلا بعد فحص العينات على الأرض.
يجب الآن إثبات جودة الأغشية
بعد عودتها من المدار، ستخضع العينات لسلسلة واسعة من الاختبارات في معهد فيزياء أشباه الموصلات، وسيدرس العلماء البنية البلورية للأغشية، وتركيبها الكيميائي، وتوزيع الشوائب، والعيوب البنيوية، والسلوك البصري، والتألق الضوئي، والتوصيل الكهربائي، وتركيز حاملات الشحنة.
ينبغي النظر إلى هذه التجربة على أنها عرض تقني وليست بداية للإنتاج الصناعي الفوري، هدفها الأول هو تحديد ما يمكن أن تحققه تقنية الترسيب الجزيئي في ظروف الفضاء المفتوح الحقيقية، واستخدام هذه النتائج عند تصميم تجارب أكثر تطورا.
إذا تأكدت المزايا المتوقعة، فبإمكان المنصات المدارية المستقبلية تصنيع هياكل نانوية متخصصة من أشباه الموصلات لتطبيقات الاتصالات، وأجهزة الكشف، وتقنيات الطاقة الشمسية، والأجهزة الكمومية.
يتصور العلماء أيضًا أنظمة أكثر بعدًا حيث تقوم المعدات الروبوتية بتشغيل العديد من منشآت النمو في المدار، ثم ترسل المواد المكتملة إلى الأرض؛ ومع ذلك، يمثل "إكران-إم" في الوقت الحالي أول اختبار عملي لما إذا كان الفراغ المحيط بمحطة الفضاء الدولية يمكن أن يصبح مختبرًا جديدًا لإنتاج مواد إلكترونية نقية بشكل استثنائي.
