רק לפני כמה שנים הצליחו חוקרים לייצר יריעות זרחן בעובי אטום אחד. כעת מחקר חדש צופה כי לשתי שכבות של יריעות כאלה יהיו תכונות מתכתיות שיכולות לחולל מהפכה באלקטרוניקה

הזרחן מוכר בעיקר בזכות חשיבותו בתהליכי החיים או כחומר דליק במיוחד ששמור לו מקום של כבוד בהיסטוריה של הגפרור. לפני קצת פחות מחמש שנים עתידו של הזרחן השתנה כשחוקרים הצליחו לייצר זרחן כחול, חומר דו-ממדי המורכב משכבה יחידה של אטומי זרחן. מאז הזרחן הדו-ממדי נחקר כמוליך למחצה מבטיח להתקנים עתידיים, וכעת מחקר תיאורטי חוזה כי  הנחת שתי שכבות של זרחן כחול זו על זו תניב חומר יציב במיוחד, שבניגוד לשכבה יחידה יתנהג דווקא כמתכת.

מיד לאחר גילויו המסעיר של החומר הדו-ממדי הראשון, הגרפן ב-2004, נפתח מירוץ לגילוי חומרים דו-ממדיים חדשים. הזרחן הכחול היה מתוצרי המירוץ הזה. חוקרים מאוניברסיטת מישיגן חזו במודלים ממוחשבים את היכולת לייצר חומר יציב משכבה אחת של אטומי זרחן כשנתיים לפני שחוקרים מסינגפור הצליחו לייצר אותו במעבדה וגילו שמדובר במוליך למחצה מבטיח.

בשנים האחרונות, חוקרים פיתחו טכניקות שמאפשרות להניח שכבות אטומיות זו על גבי זו בדיוק חסר תקדים, והתברר כי תצורה דו-שכבתית יכולה להניב חומר עם תכונות שונות בתכלית מהתכונות של השכבה האטומית היחידה. למעשה, התגלו תופעות כל כך מפתיעות ומוזרות שחוקרים נאלצו להשתמש במילה "קסם" לתיאור ההתנהגות של החומרים הדו-שכבתיים.

יריעה חד-שכבתית של אטומי זרחן | הדמיה: ROBERT BROOK / SCIENCE PHOTO LIBRARY
תכונות ייחודיות בשני ממדים. יריעה חד-שכבתית של אטומי זרחן | הדמיה: ROBERT BROOK / SCIENCE PHOTO LIBRARY

אלקטרוניקה חסכונית

כעת במחקר תיאורטי שמתבסס על הרבה כוח חישוב עם שילוב של כימיה תיאורטית ואלמנטי חישוב טופולוגיים, מעריכים חוקרים מגרמניה, ממקסיקו ומקוריאה הדרומית, כי הנחת שתי שכבות של זרחן כחול זו על זו תניב חומר יציב במיוחד שמתנהג כמתכת. היציבות הייחודית וגם התכונות המתכתיות נובעות מהקירבה של שתי השכבות האטומיות אחת לשניה, כשלושה אנגסטרם (עשירית של מיליונית המילימטר) בלבד מפרידים ביניהן.

מעבר לעניין המדעי בתופעה המוזרה והייחודית שבה מניחים שתי שכבות של מוליך למחצה זו על זו ומקבלים מתכת, לתחזית הזו יתכנו גם השלכות טכנולוגיות יוצאות דופן. מתוצאות המחקר עולה שאפשר עקרונית לייצר התקן אלקטרוני שישלב מוליך למחצה ומתכת, אך יהיה עשוי מחומר אחד בלבד. שכבת הזרחן היחידה  תשמש מוליך למחצה והשכבה הכפולה תתפקד כמתכת.

העובדה שאותו החומר יכול לשמש גם כמוליך למחצה וגם כמתכת עשויה לשפר משמעותית את יעילות ההתקנים ולצמצם את איבוד האנרגיה לסביבה בצורת חום. ברוב ההתקנים האלקטרונים משתמשים בשילוב של מוליכים למחצה ומתכות, לדוגמה, בנורת לד, המוליך למחצה פולט את האור בעוד שהמתכת מוליכה את החשמל הדרוש להפעלת הנורה. בגלל ההבדלים הבסיסיים בין חומר אחד שמשמש כמוליך למחצה וחומר אחר שמשמש כמתכת כמעט תמיד הממשק ביניהם הוא האזור שבו ההתקן מאבד הכי הרבה אנרגיה.

נכון, מדובר במחקר תיאורטי בלבד בשלב זה, אך במקרה של זרחן כחול, הפיכת תחזית תיאורטית למציאות ממשית כבר התרחשה בעבר, וייתכן מאוד שתתרחש גם בעתיד. בינתיים, אפשר לדמות את התופעה הננו-מטרית הזו בסדרי גודל ובחומרים שאנחנו רגילים אליהם. דמיינו כמה מוזר יהיה אם נוכל להניח שני דפי נייר רגילים זה על זה, ולפתע ברק מתכתי כמו של רדיד אלומיניום יופיע יש מאין.