تسمح تقنية الفحص المجهري الجديدة للعلماء برؤية نيتريد البورون الذي يبلغ سمكه ذرة واحدة عن طريق جعله يتوهج تحت ضوء الأشعة تحت الحمراء.

باحثون من أقسام الكيمياء الفيزيائية والنظرية في كلية العلوم معهد فريتز هابر لقد طوروا طريقة جديدة لتصور طبقات نيتريد البورون التي هي مجرد طبقة واحدة ذرة سميك. عادةً ما يكون من المستحيل تقريبًا اكتشاف هذه الصفائح فائقة الدقة باستخدام المجاهر الضوئية القياسية، لأنها تفتقر إلى الرنين البصري، مما يجعلها شفافة بشكل فعال.

للتغلب على هذا القيد، يستخدم الفريق الفحص المجهري غير الخطي مع ضوء الأشعة تحت الحمراء بحيث تضيء الطبقات الأحادية من نيتريد البورون السداسي (hBN) بشكل ساطع. يؤدي أسلوبهم في الفحص المجهري لمجموع التردد إلى تحفيز اهتزاز شبكي في hBN، مما ينتج إشارة قوية لا تجعل المادة مرئية فحسب، بل تكشف أيضًا عن اتجاهها البلوري. تعتبر هذه القدرة مهمة بالنسبة للمجال الكبير والمزدهر لأبحاث المواد ثنائية الأبعاد (2D) ويمكن أن تدعم تطوير أجهزة إلكترونية (ضوئية) جديدة مبنية عن طريق تكديس طبقات ثنائية الأبعاد.

لماذا دراسة المواد ثنائية الأبعاد؟

المواد ثنائية الأبعاد هي مواد بلورية مصنوعة من طبقة واحدة من الذرات، ويمكن أن تؤدي رقتها الشديدة إلى إنتاج خصائص غير عادية ومفيدة. على الرغم من أن العلماء عرفوا عن المواد ذات الطبقات منذ أكثر من قرن من الزمان، إلا أنه لم يتم العثور على أول طبقة ثنائية الأبعاد معزولة حتى عام 2004، أي الجرافين، تم إنتاجه بنجاح.

منذ هذا الإنجاز، ابتكر الباحثون العديد من المواد ثنائية الأبعاد واكتشفوا نطاقًا متزايدًا من الاستخدامات المحتملة. ونظرًا لأن هذه الطبقات الرقيقة من الذرة تعد واعدة للتقنيات المستقبلية، بما في ذلك الإلكترونيات وأنظمة الطاقة والمكونات البصرية، فإنها تظل محورًا رئيسيًا لأبحاث علوم المواد.

التحدي مع نيتريد البورون السداسي

نيتريد البورون (BN) – المعروف أيضًا باسم “الجرافين الأبيض” – هو مادة ذات طبقات تتكون من عنصري البورون (B) والنيتروجين (N)، ويمكن أن توجد في أشكال مختلفة، بما في ذلك نيتريد البورون السداسي (hBN). على غرار الجرافين، يحتوي hBN على بنية شبكية سداسية، وتُستخدم طبقاته ثنائية الأبعاد على نطاق واسع في تطبيقات مختلفة، مثل البصريات الكمومية أو الضوئيات النانوية بالأشعة تحت الحمراء، أو ببساطة كركيزة أو مادة مغلفة.

لمثل هذه التطبيقات، يعد التوصيف الدقيق لطبقات h-BN أمرًا بالغ الأهمية. ومع ذلك، وبصرف النظر عن الرنين الواضح للأشعة تحت الحمراء المتوسطة، باعتباره أحادي الطبقة، فإن hBN شفاف عبر كامل نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة والنطاق الطيفي المرئي. وبالتالي، لا يمكن دراستها باستخدام المجاهر الضوئية التقليدية.

وقد أعاق هذا التقييد حتى الآن استخدامه في تطوير مواد جديدة. على سبيل المثال، لتحديد التشوهات المحتملة وحدود الحبوب في الطبقات ثنائية الأبعاد، يجب تعيينها بدقة.

علاوة على ذلك، يقوم الباحثون بتكديس طبقات أحادية من مواد ثنائية الأبعاد فوق بعضها البعض لإنشاء “هياكل فان دير فالس” التي يمكن أن تظهر خصائص جديدة ومثيرة تمامًا. من الناحية المثالية، يمكن فحص هذه الطبقات مباشرة تحت المجهر وتصور اتجاه الطبقات الفردية. ومن ثم فإن تطوير مثل هذه القدرات لـ hBN مرغوب فيه للغاية.

المجهر مجموع التردد

تغلب فريق البحث في معهد فريتز هابر على هذا التحدي من خلال المجهر الذي تم تطويره مؤخرًا والذي يستخدم خدعة في البصريات غير الخطية لجعل المادة غير المرئية hBN مرئية. طريقتهم، التي تسمى “الفحص المجهري لمجموع الترددات”، تمزج شعاعي ليزر، أحدهما في منتصف الأشعة تحت الحمراء والآخر في النطاق المرئي، لتوليد إشارة مجموع التردد في العينة التي يتم قياسها.

من خلال قيادة اهتزاز شبكة hBN بشكل رنين، تصبح إشارة مجموع التردد المقاسة شديدة للغاية، مما يجعل من الممكن ليس فقط تصوير صورة كبيرة بحجم 100 × 100 ميكرومتر² مناطق العينة في أقل من 1 ثانية، ولكن أيضًا تصور اتجاه البلورة.

بفضل مجهرهم الجديد، كشف الباحثون أن الطبقات ثنائية الأبعاد من hBN التي تنمو في مجالات مثلثة تظهر حواف متعرجة منتهية بالنيتروجين. علاوة على ذلك، فإن اللاخطية العالية الملحوظة في نطاق تردد الرنين الاهتزازي تسلط الضوء على أحادي الطبقة hBN باعتبارها مادة واعدة لتحويل التردد – من الأشعة تحت الحمراء إلى المرئية – في الأجهزة الإلكترونية البصرية الجديدة.

التعاون المثمر بين إدارتي FHI والشركاء الدوليين

تعد هذه الدراسة بمثابة شهادة على فلسفة البحث التعاونية للغاية لمعهد فريتز هابر والتي تجمع بين خبرات مجموعات بحثية متعددة من أقسامه المختلفة بالإضافة إلى العديد من الشركاء الدوليين في مشاريع مشتركة لمعالجة التحديات الرئيسية في العلوم.

تم تصنيع عينات أحادي الطبقة hBN في جامعة فاندربيلت ثم تم تحليلها بواسطة الفحص المجهري مجموع التردد في قسم الكيمياء الفيزيائية في معهد فريتز هابر.

لدعم التوصيف المتقدم للعينات، تم تسجيل صور مجهرية القوة الذرية (AFM) من قبل شركاء التعاون في قسم الفيزياء في جامعة برلين الحرة. وأخيرًا، أدى دمج خبرة القسم النظري في معهد فريتز هابر إلى استخلاص التفاصيل البلورية.

آفاق المنهج التجريبي الجديد

يقدم المجهر المطور حديثًا مزايا واضحة مقارنة بالطرق الأخرى الموجودة. أولاً وقبل كل شيء، يمكنها جعل المواد الشفافة بصريًا مرئية بالمجهر الضوئي. تتميز الصور الناتجة بتباين أعلى بكثير من صور AFM التقليدية، ويتيح استخدام تحسين الرنين الاهتزازي “التصوير المباشر” لـ hBN، بما في ذلك المعلومات عبر الإنترنت حول اتجاهه البلوري.

هذه القدرات المتقدمة تجعل التصنيع المتحكم فيه لهياكل فان دير فالس ذات الطبقات ممكنًا في التطبيقات المستقبلية. وأخيرًا، يتوقع المؤلفون أيضًا توسيع نطاق أداة التصوير الجديدة هذه باعتبارها طريقة غير جراحية وخالية من الملصقات لدراسة نطاق أوسع من المواد المكدسة ثنائية الأبعاد، بالإضافة إلى مجموعاتها مع التجمعات الجزيئية متباينة الخواص.

المرجع: “التصوير البلوري الكامل لأحادي طبقة نيتريد البورون السداسية مع الفحص المجهري لمجموع الترددات المعزز بالفونون” بقلم نيكلاس س. مولر، ألكسندر بي. فيلوز، بن جون، أندرو إي. ناكليريو، كريستيان كاربوغنو، كاتايون جاراجوزلو-هوبمان، داميان بالاج، ريان أ. كوالسكي، هندريك إتش. هينين، كريستوف شورير، كارستن رويتر، جوشوا د. كالدويل، مارتن وولف، بيران ر. كيدامبي، مارتن ثامر وألكسندر بارمان، 20 نوفمبر 2025، مواد متقدمة.
دوى: 10.1002/adma.202510124

التمويل: مؤسسة الأبحاث الألمانية، المفوضية الأوروبية

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.