هندسة فجوة النطاق

هندسة فجوة الطاقة هي عملية التحكم في فجوة الطاقة للمادة أو تغييرها. ويتم ذلك عادةً في أشباه الموصلات من خلال التحكم في تركيب السبائك، أو بناء مواد متعددة الطبقات ذات تركيبات متناوبة، أو عن طريق إحداث إجهاد إما بالنمو الطبقي أو بالتكوين الطوبولوجي. فجوة الطاقة هي النطاق في المادة الصلبة الذي لا يمكن أن توجد فيه أي حالة إلكترونية. فجوة الطاقة في العوازل أكبر بكثير منها في أشباه الموصلات. أما الموصلات أو المعادن، فلها فجوة طاقة أصغر بكثير أو معدومة مقارنةً بأشباه الموصلات، وذلك لتداخل نطاقي التكافؤ والتوصيل. يتيح التحكم في فجوة الطاقة إمكانية الحصول على خصائص كهربائية مرغوبة.

الترسيب الجزيئي الشعاعي هو تقنية تُستخدم لإنشاء أغشية رقيقة متراصة من مواد متنوعة، بدءًا من الأكاسيد وصولًا إلى أشباه الموصلات والمعادن. يتم توجيه حزم مختلفة من الذرات والجزيئات في بيئة فراغية فائقة إلى بلورة نقية ذريًا تقريبًا، مما يُحدث تأثيرًا طبقيًا. يُعد هذا نوعًا من أنواع ترسيب الأغشية الرقيقة . تُعد أشباه الموصلات أكثر المواد استخدامًا نظرًا لتطبيقاتها في الإلكترونيات. تُتيح تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي إمكانية تطوير تقنيات مثل أجهزة الآبار الكمومية ، والشبكات الفائقة، والليزر. تتميز الأغشية المتراصة بقدرتها على إنتاج خصائص كهربائية مختلفة عن خصائص الركيزة، إما بنقاء أعلى، أو عيوب أقل، أو بتركيز مختلف من الشوائب النشطة كهربائيًا حسب الرغبة. ^{[ 1 ]} يؤدي تغيير تركيب المادة إلى تغيير فجوة النطاق نتيجةً لترابط ذرات مختلفة ذات فجوات طاقة متباينة .

تتميز المواد شبه الموصلة بإمكانية تغيير أحجامها وأشكالها عن طريق إحداث إجهاد، وذلك بفضل تأثيرات الحصر الكمومي . كما يُمكن الحصول على نطاق أوسع لفجوة الطاقة القابلة للتعديل نظرًا للحد المرن العالي للهياكل النانوية شبه الموصلة (جون إم. غيرا، ^{[ 2 ] [ 3 ]} وغيرا ​​وفيزينوف ^{[ 4 ]} ). يُعرَّف الإجهاد بأنه نسبة التمدد إلى الطول الأصلي، ويمكن استخدامه على المستوى النانوي. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

قام ثولين وغيرا ​​(2008) ^{[ 7 ]} بتحديد طريقة تحفيز الإجهاد نظريًا، والتي استخدموها لتعديل خصائص مادة ثاني أكسيد التيتانيوم من نوع أناتاز. درسوا بنية نطاق الطاقة الإلكترونية لهذه المادة ضمن نطاق إجهاد ثنائي المحور، مستخدمين كلًا من نظرية الكثافة الوظيفية ضمن تقريب التدرج المعمم (GGA) وحسابات نظرية الجسيمات شبه الحقيقية ضمن تقريب GW. ووجدوا أن المادة المُعدلة بالإجهاد مناسبة للاستخدام كقطب ضوئي عالي الكفاءة في خلية كهروكيميائية ضوئية. تتبعوا التغيرات في فجوة النطاق والكتل الفعالة لحاملات الشحنة مقابل الضغط الكلي المرتبط بالشبكة المُجهدة. يتنبأ كل من تقريب GGA وتقريب GW بعلاقة خطية بين التغير في فجوة النطاق والضغط الكلي، لكنهم وجدوا أن تقريب GGA يُقلل من قيمة الميل بأكثر من 57% مقارنةً بنتيجة تقريب GW البالغة 0.0685 إلكترون فولت/جيجا باسكال.

عندما تُحصر شرائط الجرافين المُصنّعة بتقنية الطباعة الحجرية جانبيًا في شحنة كهربائية، ينشأ فجوة طاقة بالقرب من نقطة التعادل الكهربائي. وكلما كانت الشرائط أضيق، اتسعت فجوة الطاقة بناءً على الموصلية المعتمدة على درجة الحرارة . يُعتبر الشريط الضيق نظامًا شبه أحادي البعد، حيث يُتوقع وجود فجوة طاقة. تُستخلص صفائح مفردة من الجرافين ميكانيكيًا من بلورات الجرافيت الكبيرة وتُوضع على ركيزة من السيليكون، ثم تُوصل بأقطاب معدنية من الكروم/الذهب. يُطلى سيلسيسكويوكسان الهيدروجين على العينات لتشكيل قناع حفر، ثم يُستخدم بلازما الأكسجين لحفر الجرافين غير المحمي. ^{[ 8 ]}