الاستخدامات القادمة للإلكترونيات الپلاستيكية

الاستخدامات القادمة للإلكترونيات الپلاستيكية^(*)

يمكن لتجهيزات أشباه الموصلات العضوية أن تدخل في صنع أشياء لا تقتصر على المظاهير

(لوحات العرض) القابلة للثني فحسب. بل سيكون لها استخدامات في الإلكترونيات

القابلة للارتداء، وفي المحسات الكيميائية، وفي بشرة الإنسالات⁽¹⁾، وفي تطبيقات

أخرى لا تحصى.

<P .G. كولينز>

 

في السنوات الأخيرة، اكتسبت المواد الپلاستيكية القوية والمرنة والخفيفة الوزن والمنخفضة الكلفة مزية إضافية: قابلية العمل كأشباه موصلات تُشكل ديودات (ثنائيات) وترانزستورات في دارات متكاملة پلاستيكية. والآن وفيما تغزو المنتجات الإلكترونية الپلاستيكية الأولى الأسواق في مظاهير تستخدم ديودات عضوية مصدرة للضوء، يُحضَّر المسرح لحقبة جديدة من الحوسبة المطردة التوسع بوساطة الپوليمرات. قد لا يستطيع الپلاستيك مضاهاة السيليكون في سرعة المعالجة الكاملة وفي النمنمة أبدا، لكنه سيكون قادرا على الذهاب إلى أمكنة لا يستطيع السيليكون الوصول إليها: عُلاّمات تعرف الأشياء بوساطة التردد الراديوي⁽²⁾ البالغة الرخص، ووسائط تخزين المعلومات ذات السعة العالية والكلفة المنخفضة، والمظاهير الرخيصة الثمن، وحتى القابلة للطرح disposable أو تلك التي يمكن لفها حول عمود جداري، وأدوات الحوسبة القابلة للارتداء. وتتضمن الاستخدامات الأخرى للپلاستيك الموصّل الخلايا الضوئية والمحسات الكيميائية والمواد الحسّاسة للضغط.

 

إن إحدى المزايا الأساسية التي تمتاز بها الترانزستورات العضوية على السيليكونية هي سهولة تصنيعها. فصنع شيپة chip سيليكونية متطورة يستغرق أسابيع من العمل باستخدام سيرورات معقدة وباهظة التكاليف من قبيل الطباعة الضوئية الحجرية والترسيب الخوائي vacuum deposition اللذين يجريان عند درجات حرارة عالية في غرف فائقة النظافة. مقارنة بذلك، يمكن صنع الترانزستورات العضوية باستخدام سيرورات أسرع وأرخص تحت ظروف متحكم فيها بحرص أقل. وأخيرا، هناك أمل بالتصنيع «اللفائفي» roll-to-rollالمشابه لأسلوب الطباعة الصحفية المتواصلة التي أحدثت ثورة في عالم النشر.

 

أشباه الموصلات العضوية^(**)

تصنف المواد الپلاستيكية الموصلة في الإلكترونيات في فئتين عريضتين. الأولى تُصنع من جزيئات عضوية صغيرة، والثانية من جزيئات پوليمرات مترافقة (تناوبية) conjugated طويلة. وأحد أمثلة فئة الجزيئات الصغيرة هو الپنتاسين pentacene الذي يتألف من خمس حلقات بِنْزن benzene ترتبط معا على شكل خط [انظر الإطار في الصفحة 344]. أما الپوليمرات الطويلة فتتألف من سلاسل من مئات أو آلاف ذرات الكربون. إن صفة «الترافق» تعني أن ذرات الكربون في السلاسل ترتبط معا بوساطة روابط مزدوجة ومفردة بالتناوب. ويمكن النظر أيضا إلى حلقات البنزن على أنها سلسلة قصيرة من ست ذرات كربون ذات روابط متناوبة تعضّ ذيلها لتشكل حلقة (عروة) مغلقة. لكن صورة الروابط المزدوجة والمفردة المتناوبة ليست الطريقة الأكثر دقة في النظر إلى أي من هذه الجزيئات. إن الصورة البديلة هي أن بعض إلكترونات الرابطة المزدوجة تصبح غير متموضعة delocalized، حيث تتشارك فيها عدة ذرات عوضا عن بقائها متموضعة في رابطة معينة بين ذرتين.

 

 

مثل هذا اللاتموضع مشابه لما يحصل في المعادن وأشباه الموصلات. فالإلكترونات اللامتموضعة يمكن أن توجد في حالات ذات مستويات طاقة معينة فقط، أما الطاقات المسموح بها فإنها تشكل نُطُقا bands تستطيع الاحتفاظ بذلك العدد من الإلكترونات [انظر الإطار في الصفحة 344]. ويسمى نطاق الطاقة الأعلى الذي يحتوي على إلكترونات نطاق التكافؤ valence band، ويسمى النطاق الأعلى منه نطاق التوصيل.

 

تكون الجزيئات الصغيرة مثل جزيئات الپنتاسين موصلة في حالتها النقية، ويمكن صنعها مباشرة على شكل بلورات أو أغشية رقيقة للاستخدام في التجهيزات. أما الپوليمرات الطويلة، على النقيض من ذلك، فهي على وجه العموم موصلات رديئة في حالتها النقية. والسبب هو أن نطاق التكافؤ فيها مملوء بالإلكترونات، ما يعيق تدفق التيار. فليس أمام أي إلكترون في النطاق مكان يذهب إليه، إذ لا تتوافر أمكنة يمكنه الانتقال إليها. أما الأمكنة الخالية في نطاق التوصيل فهي ذات مستوى طاقي عال جدا يجعلها عديمة النفع.

 

من أجل تغيير تلك الحالة، يُدخل الباحثون ذرات مشابة خاصة (تسمى العملية بالإشابة doping). إن الذرات الشائبة تُدخل إلكترونات إضافية تذهب إلى نطاق التوصيل، أو تزيل بعض الإلكترونات من نطاق التكافؤ فتولّد ثقوبا تتصرف كجسيمات موجبة. وفي كلتا الحالتين، يستطيع التيار التدفق بسهولة، إما بإلكترونات التوصيل التي تتحرك في نطاق التوصيل الخالي تقريبا، وإما بالثقوب التي تتحرك عبر نطاق التكافؤ (من منظور الثقب، يكون نطاق التكافؤ خاليا تقريبا؛ إذ إن كل إلكترون فيه يمثل موضعا يستطيع الثقب الذهاب إليه).

 

اكتُشفت إمكانية إشابة الپوليمرات المترافقة بهذه الطريقة من أجل تكوين مادة موصلة أو شبه موصلة في سبعينات القرن العشرين من قبل <J .A. هيگر> [وهو الآن في جامعة كاليفورنيا بسانتا باربرا] و<G .A. ماك ديارميد> [وهو الآن في جامعة پنسلڤانيا] و<H. شيراكاوا> [وهو الآن في جامعة تسوكوبا باليابان] والعاملين معهم. ومُنح <هيگر> و<ماك ديارميد> و<شيراكاوا> عام 2000 جائزة نوبل للكيمياء من أجل هذا العمل. فقد أشابوا الپولي أستيلينpolyacetylene بتعريضه في تجارب مختلفة إلى الكلورين أو البرومين أو اليود.

 

لقد وجدت المواد الپلاستيكية الموصلة حتى الآن عددا من التطبيقات غير الدارات الإلكترونية، منها استخدامها كمانع تآكل، وكحجاب كهرمغنطيسي للدارات الإلكترونية، وفي التغشية المضادة للكهرباء الساكنة في الطبقات (المستحلبات) الفوتوغرافية الحساسة، وفي تغشية الإخفاء الماصة للموجات الميكروية من أجل إخفاء جسم عن الرادار.

 

آلات الطباعة^(***)

يُفضل تصنيع تجهيزات أشباه الموصلات العضوية ذات الجزيء الصغير بالترسيب التبخيري vapor deposition: يبخر المركب داخل حجرة مغلقة مخلاة أو مملوءة بغاز خامل، ويُترك ليتكاثف كغشاء على ركيزة. إن هذه التقنية مشابهة لتلك المستخدمة في تصنيع بعض المنتجات العادية جدا، مثل التغشية على أكياس رقائق البطاطا التي تمنع الأكسجين من الانتشار عبر الپلاستيك.

 

تُتيح الپوليمرات عددا من تقنيات التصنيع، وإحداها هي التغشية بالتدويمspin-coating، وفيها يُدوَّم قرص عليه قطرة من محلول يحتوي على الپوليمر أو أسلافه، ما يؤدي إلى نشر المادة عبر القرص على نحو متجانس. بعدئذ يمكن حفر المادة بتقنيات الطباعة الضوئية الحجرية المشابهة لتلك المستخدمة في صنع أشباه الموصلات العضوية العادية، أو تقطع وتطبع بطرائق أخرى. (استخدم بعض الباحثين التغشية بالتدويم أيضا مع الپنتاسين).

 

إن إحدى مشكلات الپوليمرات الموصلة مقارنة بالپلاستيك المستخدم في صناعات أخرى هي عدم قابليتها للذوبان في مذيبات solvents عضوية سهلة التناول. وعلى سبيل المثال، فإن الپولي إثلين داي أوكسيثيوفين⁽³⁾ PEDOTيوضع عادة في محلول حمضي أساسه الماء ذي خواص أكالة corrosive  تسبب مشكلات أخرى. لكن في الشهر4/2004 ، أعلن المركز TDA Research in WheatRidge، في كولورادو، عن شكل جديد من الPEDOT يدعى الأوليگوترون oligotronقابل للذوبان في مذيبات عضوية غير أكَّالة. إن تسليط الضوء فوق البنفسجي على السائل يجعل جزيئاته ترتبط معا محولة المادة إلى جسم صلب غير قابل للذوبان. لذلك يجب أن يكون من الممكن تغشية الأوليگوترون تدويميا، ومن ثم صنع نموذج⁽⁴⁾ بإضاءة الأوليگوترون بالضوء فوق البنفسجي عبر قناع.

 

نظرة إجمالية/ الإلكترونيات الپلاستيكية^(****)

▪ لمدة طويلة، شكّلت المواد الپلاستيكية الهيكل العظمي للمنتجات وجلدها، في حين أن السيليكون قدَّم الأدمغة. ومع اختراع الپوليمر والإلكترونيات العضوية المتبلورة، ستصنع المواد الپلاستيكية الأدمغة والعضلات القوية أيضا. ▪ ربما لن تصير شيپات الپلاستيك سريعة وصغيرة كشيپات السيليكون، لكن إنتاجها بوساطة تقنيات متاحة وسهلة، ومنها الطباعة بنفث الحبر، يَعِد بأدوات رخيصة جدا يمكن أن تصبح شائعة في المنتجات الاستهلاكية والأدوات المنزلية. ▪ إن الاستخدامات المحتملة تتضمن مظاهير المعلومات في الأجهزة الإلكترونية والحواسيب، والورق الإلكتروني، وعُلاّمات تعرف الأشياء بوساطة التردد الراديوي، والإلكترونيات القابلة للارتداء، والمحسات الكيميائية، والبشرة الحساسة للضغط من أجل الإنسالات.

 

وفي حل بديل، يمكن طباعة الأوليگوترون باستخدام تقنية نفث الحبر من أجل تشكيل النموذج، ويجري بعدئذ تثبيته بوساطة الأشعة فوق البنفسجية. إن عملية نفث الحبر مماثلة إلى حد بعيد لتلك المستخدمة في الطباعة البيانية، لكن بدلا من الأصبغة الملونة، تُنفث قطيرات ضئيلة من محلول الپوليمر على الركيزة لتعطي نماذج يجري التحكم فيها بحرص. وحتى الآن، لم يجر سوى استعراض نموذج كبير للبرهان على المبدأ، ولم تصنع أي تجهيزات إلكترونية.

 

إن البراعة في جعل الأوليگوترون قابلا للذوبان تمثلت في إلحاق مجموعات مناسبة في نهاية جزيئات PEDOT المونومرية⁽⁵⁾. ويجب أن يكون من الممكن تكوين أشكال مختلفة من الأوليگوترون لها خواص معينة عن طريق تعديل المجموعات الطرفية. على سبيل المثال، يمكن استخدام الأوليگوترون ذي المجموعات الطرفية الفوتوڤلطية من أجل صنع خلايا شمسية.

 

تسعى شركات عديدة نحو تقنية طباعة الدارات بنفث الحبر. وقد استعرض مركز پالو آلتو للأبحاث (الذي كان جزءا من الشركة زيروكس) مثل هذه التقنية. فقد أنتج باحثوه عام 2003 أول صفيف ترانزستورات من الپلاستيك شبه الموصل تم بناؤه كليا بطباعة نفث الحبر [انظر الشكل في هذه الصفحة]. إن هذه الترانزستورات أكبر من نظيراتها السيليكونية، ويحصل فيها الفتح والغلق بسرعة أقلّ بكثير، لكن حركيتها mobility ـ التي تبلغ 0.11 سنتيمتر مربع للڤلط في الثانية ـ تقل بعشر مرات فقط عن تلك الخاصة بالسيليكون اللابلوري الواسع الاستخدام في اللوحات الخلفية لمظاهير البلورات السائلة الحاسوبية. (الحركية هي مقياس جهوزية حوامل الشحنة مثل الإلكترونات للحركة ضمن المادة. أما عامل العشر مرات فيمثل فرقا صغيرا؛ لأن السيليكون اللابلوري يتخلف lags عن السيليكون التبلوري بألف مرة).

 

لقد شكلت الشركات داو وموتورولا وزيروكس تحالفا لتطوير أحبار پوليمرية وطرائق للطباعة، كذلك فعلت الشركتان دو پون ولوسنت تكنولوجيز وكذلك الشركتان سارنوف و Universal Display Corporation.

 

وفي مؤتمر جمعية مظاهير المعلومات المنعقد عام 2003، عرضت الشركةPlastic Logic  ما ادعت أنه أول مظهار من الصفيف الفعال مصنوع من الإلكترونيات الپلاستيكية بالطباعة بنفث الحبر. (في مظاهير الصفيف الفعال يغذى كل پكسل⁽⁶⁾ بترانزستور خاص به). وفي هذا المظهار الذي احتوى على صفيف مكون من 48×63 پكسل على لوحة خلفية مساحتها نحو 2.5×2.5 سنتيمتر، استخدم ورق إلكتروني من صنع الشركة Gyricon المنبثقة عن الشركة زيروكس. وتعمل الشركتان Plastic Logic و Gyricon على زيادة حجم المظهار وتحسين الميز resolution فيه، والتوجه إلى ركيزة پلاستيكية مرنة.

 

جرى تشكيل صفيفات الترانزستور الپلاستيكية باستخدام الطباعة بنفث الحبر من قبل مركز پالو ألتو للأبحاث. تبين الصورة السفلى 12 ترانزستورا من صفيف. ويبلغ قطر كل نقطة نحو 40 ميكرونا. لقد استخدم الباحثون حبرا پوليمريا شبه موصل طوّره <B. أونگ> من مركز أبحاث زيروكس في كندا. ويمكن للترانزستورات أن تكون ملائمة للاستخدام في مظاهير (لوحات العرض) الصفيف الفعال والورق الإلكتروني وفي تطبيقات أخرى.

 

حتى الآن، لا تستطيع سيرورة الطباعة بنفث الحبر إنتاج ترانزستورات صغيرة مصرورة معا بإحكام كما هي الحال في أفضل الشيپات غير العضوية. لكن في منتصف عام 2003، بيَّن الباحثون في جامعة كورنل أنه باستخدام الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية يمكن بناء ترانزستورات الغشاء الرقيق العضوية التي تعمل بشكل سليم، والتي يبلغ طول القناة فيها 30 نانومترا كحد أدنى، وهذا يقارب أطوال القناة في الترانزستورات السيليكونية الموجودة حاليا. (القناة هي المكان الذي يتدفق فيه التيار الكهربائي ـ أو لا يتدفق ـ عبر الترانزستور وحيث يحصل الابتدال switching). لقد كانت المحاولات السابقة لصنع ترانزستورات فائقة الصغر من غشاء رقيق عضوي ناجحة حتى 100 نانومتر فقط؛ أما التجهيزات الأصغر من ذلك فقد أبدت أداء متدنيا. وتعتبر الطباعة بالحزمة الإلكترونية عملية باهظة التكاليف وقد لا تكون الطريقة الأنجع لإنتاج التجهيزات العضوية تجاريا. لكن العمل الذي جرى في جامعة كورنل يبين أن مثل هذه التجهيزات الصغيرة ممكنة.

 

وللعضويات organics مثالب أخرى إضافة إلى الحجم. فأحد عيوبها الافتقار إلى مادة ملائمة لصنع ترانزستورات من النوعين p و n معا في شيپة واحدة، وهذا متطلب لازم لتقانة ما يسمى شبه موصل أكسيد المعدن المتمم CMOSا⁽²⁾   التي تمثل عماد المعالجات الميكروية (الصغرية). (في أشباه الموصلات من النوعp الثقوب هي حوامل التيار، وفي النوع n الإلكترونات هي الحوامل).

 

يضاف إلى ذلك أن الكثير من المواد الپوليمرية هشة، وهي عرضة للتلف بالرطوبة أو بمجرد التعرض للأكسجين في الهواء. ويمكن التغلب على نقطة الضعف هذه بتثبيت المكونات الفعالة ضمن طبقات كتيمة للهواء والرطوبة، لكن ذلك الحل يضيف خطوات أخرى إلى سيرورة التصنيع ويسيء إلى خواص مرغوبة من مثل الرقة والمرونة.

 

لقد تحقق بعض التقدم في تطوير مواد أقوى. ففي الشهر4/2004 ، أعلن <B. أونگ> [من مركز أبحاث زيروكس في كندا] تطوير حبر پولي ثيوفينpolythiophene  غير حساس للأكسجين، ويمكن استخدامه لطباعة الدارات دون  الحاجة إلى جو خامل خاص.

 

وجرى تطوير هجين عضوي-لاعضوي قوي من قبل <D. بوسيان> في جامعة كاليفورنيا بريڤر سايد. ففي الشهر11/2003، أعلن فريقه أن الجزيئات العضوية المسماة پورفيرينات porphyrins  المصنوعة من سلاسل وحلقات من ذرات الكربون يمكن لصقها بالسطح المتأكسد لركيزة سيليكونية. إن الپورفيرينات تستطيع تحمل حرارة تصل حتى 400 درجة سيلزية (مئوية) لمدة 30 دقيقة.

 

إن أحد سبل تجنب تلف الجزء العضوي الهش في الأداة (التجهيزة) أثناء التصنيع هو فصل إنتاج الجزء العضوي عن عملية تشكيل أجزاء الدارة الأخرى. وقد أُعلن عن هذه الطريقة في الشهر3/2004 من قبل <J. روجرز> [في جامعة إلينوي والعاملين معه من جامعة لوسنت ورتگرز]. فقد استخدموا الترسيب التبخيري من أجل وضع أقطاب ذهبية رقيقة على ركيزة مطاطية مرنة. ثم ضُغط هذا الختم على بلورة كبيرة عالية الجودة من الروبرين rubrene لتشكيل ترانزستور. (الروبرين هو أربع حلقات بنزن متسلسلة مع أربع أخرى ملحقة إفراديا كمجموعات جانبية مثل زوجين من الأجنحة). تتفادى هذه التقنية تعريض البلورة العضوية إلى الظروف القاسية أثناء ترسيب الإلكترودات، مانعة بذلك إتلافها.

 

لقد سجلت المجموعة أعلى معدلات الحركية التي لم تُرَ من قبل في ترانزستور عضوي، إذ إنها وصلت حتى 15 سنتيمترا مربع للڤلط في الثانية. قد يكون لعملية الختم تطبيقات تجارية، لكن تطويرها تم لأغراض البحث. وقد استطاع العلماء نزع الختم وإعادة توضيعه بشكل متكرر. وبتغيير توجيهه، حددوا أن الحركية تعتمد على اتجاه الحركة عبر البلورة، وهو أثر كان متوقعا منذ زمن طويل في حقل العضويات، لكنه لم يُستعرض من قبل بهذا الوضوح قط.

 

الپلاستيك الموصل^(*****)

تصنف المواد الخام الخاصة بالأدوات الإلكترونية العضوية في فئتين واسعتين: جزيئات صغيرة (في الأعلى) وسلاسل الپوليمرات التناوبية (في الوسط)، وكل منهما ذو روابط كربونية مزدوجة ومفردة متناوبة. (كل خط في هذه الأشكال هو رابطة بين ذرتي كربون. الروابط مع ذرات الهدروجين غير مبينة). تصبح الإلكترونات في الروابط المزدوجة لا متموضعة بدرجة ما، أو تتشارك فيها ذرات عديدة. ومن ثم، تشكل الحالات المسموحة للإلكترونات نطُقا bands على مجالات من الطاقة (في الأسفل). تعتمد الخواص الكهربائية للمادة على فواصل النطُق وعلى امتلائها. وعلى وجه العموم، تمتلك الپوليمرات نطاق تكافؤ ممتلئا، ما يجعلها عازلة. لكن عندما تضاف مواد كيميائية شائبة (مثل الصوديوم)، فإن الإلكترونات المعطاة إلى نطاق التوصيل أو تلك المزالة من نطاق التكافؤ تمكِّن التيار من الجريان. أما الجزيئات الصغيرة فهي شبه موصلة في حالتها النقية.

 

المظاهير ولصاقات تعرُّف

الأشياء بوساطة التردد الراديوي^(******)

على وجه العموم، تمتلك أشباه الموصلات العضوية حركية أدنى من حركية نظيراتها اللاعضوية، ما يؤدي إلى سرعات ابتدال أبطأ. إن من الممكن الحصول فيها على ترددات ميقتية⁽⁸⁾ clock frequencies تصل إلى مئات الكيلوهرتز، لكن لا تتوقع أن تحصل على شيپات عضوية تصل إلى الجيگاهرتز في أي وقت قريب. ومع ذلك، فإن تلك السرعات تعتبر أكثر من كافية لتشغيل المظاهير.

 

إن المنتجات التي تحتوي على المظاهير البدائية الأولى التي تستخدم فيها المواد الپلاستيكية الموصلة تباع حاليا في الأسواق، ومن ضمنها آلة تصوير رقمية من الشركة كوداك ذات شاشة للصورة مصنوعة من الإلكترونيات الپلاستيكية بُعدها 5 سنتيمترات، وآلات حلاقة كهربائية من الشركة فيليپس تُظهر شحنة البطارية. إن كلا من الديودات المصدرة للضوء، سواء العضوية (ذات الجزيء الصغير) أو الپوليمرية (ذات الجزيء الكبير)، يمكن أن تخدم بمنزلة پكسلات مظهار بطريقة لا تستطيعها الديودات المصنوعة من السيليكون. إن الترانزستورات التي تتحكم في الپكسلات يمكن أن تصنع من أشباه الموصلات الپلاستيكية أيضا. [انظر: «مظاهير أفضل باستخدام أفلام عضوية»،مجلة العلوم، العددان 2/3(2004)، ص 75].

 

وهناك تطبيق آخر للمظهار هو الورق الإلكتروني، الذي يكون فيه المظهار عاكسا بدلا من أن يكون باعثا، وهذا الورق مكون من كريات دقيقة أو كبسولات ميكروية تتغير بين حالتي الأبيض والأسود [انظر: «التسابق نحو إنتاج ورق إلكتروني»، مجلة العلوم، العددان 11/12(2002)، ص 50]. وهناك أنواع صلبة من الورق الإلكتروني تُستخدم حاليا كمظاهير قابلة للبرمجة في المتاجر الكبيرة. لكن في الشهر1/2004 أطلقت الشركة Polymer Vision، وهي قسم من الشركة رويال فيليپس للإلكترونيات في هولندا، نموذجا أوليا يجمع بين ورق إلكتروني طورته الشركة E Ink الموجودة في ماساتشوستس، ولوحة خلفية مرنة لها سماكة الورق وتضم 000 80 ترانزستور عضوي. هذه الأداة هي شاشة مربعة قياسها (قطريا) 12.5 سنتيمتر. ولما كانت سماكتها لا تتجاوز ثلاثة أضعاف سماكة الورق، فإنه يمكن لفها ووضعها في أنبوب قطره أربعة سنتيمترات [انظر الشكل السفلي في هذه الصفحة]. إن دارات الأداة پلاستيكية بكاملها باستثناء الأسلاك الذهبية الرفيعة جدا، وتعتبر أول مظهار مرن يجري إنتاجه على نطاق واسع؛ إذ إن مئة مظهار تخرج أسبوعيا من خط الإنتاج في الشركةPolymer Vision.

 

 

تعتبر سرعات الابتدال⁽⁹⁾ البطيئة في أشباه الموصلات العضوية

 أكثر من كافية لتشغيل المظاهير.

وقريبا سوف تغزو الإلكترونيات الپلاستيكية الأسواق داخل عُلامات تعرُّف الأشياء بوساطة التردد الراديوي. إن عُلاّمات التعرف القائمة على المعدن والسيليكون هي حاليا قيد الاستخدام في النظم الآلية لدفع الرسوم على الطرق السريعة. فعندما تمر سيارة عبر بوابة عبور مزودة بنظام العُلاّمات، يرسل قارئ إشارةً راديوية تقوم بتفعيل شيپة عُلاّمة التعرف الموجودة في بطاقة على زجاج السيارة الأمامي. وتستجيب البطاقة بكود يُعرِّف السيارة، ويحسم الرسم المطلوب من الحساب ذي العلاقة. حاليًا، يبلغ ثمن مثل هذه العُلاّمات المصنوعة من السيليكون نحو ربع دولار، وهو مبلغ زهيد بقدر كاف بالنسبة إلى شيء من قبيل نظام تحصيل الرسوم، لكنه مرتفع جدا بالنسبة إلى استخدامات أخرى مقترحة كتعريف كل سلعة في سوق مركزي من أجل تسهيل تعقب المخزون ومحاسبة الصندوق من قبل الزبائن. إن الشيپات الپلاستيكية لعُلامات التعرف يمكن أن تخفض الكلفة، إلى سنت واحد أو أقل، ما يجعل استخدامها بدلا من الباركودات bar codes أكثر قابلية للتطبيق. [انظر: «تقانة تعرف الأشياء بوساطة التردد الراديوي: مفتاح لأتمتة كل شيء»، مجلة العلوم، العددان 4/5(20044)، ص 4].

 

ذاكرة وأنف وبشرة^(*******)

إضافة إلى استخدام الديودات المصدرة للضوء في المظاهير وفي شيپات تعرف الأشياء بوساطة التردد الراديوي، يوجد للدارات العضوية كثير من التطبيقات الأخرى الممكنة. على سبيل المثال، في الشهر12/2003 في الاجتماع الدولي السنوي للأدوات الإلكترونية IEDM 100 ، وصف باحثون من الشركةInfineon شكلين مختلفين من شيپة ذاكرة قائمة على الپوليمرات العضوية. أحدهما كان شكلا من ذاكرة لامتلاشية، وتعني ذاكرة تحتفظ بمعلوماتها عندما تفصل الطاقة الكهربائية عنها. وقد بيَّن الفاحصون في الشركة Infineon أن شيپاتهم تستطيع الاحتفاظ بالمعلومات لأكثر من سنة، وزعموا أنه قد يكون من الممكن تشكيل المادة بمعالم تصل بصغرها حتى 20 نانومترا.

 

للورق الإلكتروني، الذي تنتجه الشركة فيليپس، ميزا resolution قدره 85 پكسل للإنش الواحد، ويمكن لفه على شكل أسطوانة قطرها 4 سنتيمترات. ويستخدم الورقُ ترانزستوراتِ غشاءٍ رقيق من الپنتاسين تُصنع عند درجة حرارة الغرفة من محلول سائل. وتعمل الترانزستورات بسرعة تكفي لإظهار صورة ڤيديو.

 

أما الشكل الثاني فكان نوعا من ذاكرة الولوج العشوائي الديناميكي⁽¹¹⁾DRAM التي تتألف فيها كل بتة معلومات من ترانزستور ومكثفة. بلغت أبعاد المعالم نحو 140 نانومترا. وقد صنعت الذاكرة بوساطة نوع معدل من التغشية بالتدويم باستخدام پوليمر جديد يبقى ثابتا عند درجة حرارة تزيد على 450 درجة سيلزية، وهذا أعلى بكثير مما تستطيع معظم الپوليمرات الموصلة أن تتحمله.

 

يمكن للمواد الپلاستيكية الموصلة أيضا أن تشيع في نوع من الأدوات مختلف كليا، هو المحس الكيميائي. تحتوي النماذج التقليدية لهذه المحسات على نحو دستة من الإلكترودات (المساري) المطلية بمركبات پوليمرية، مثل الپوليمرات الممزوجة بمسحوق الكربون. ويحتوي كل إلكترود (مسرى) على نوع مختلف من الپوليمرات، وعندما تتعرض هذه المركبات إلى غاز معين، يستجيب كل منها بطريقته، ممتصا كثيرا أو قليلا من الغاز موضوع الاهتمام. ويؤدي حصول ذلك بدوره إلى تضخيم الپوليمر وتغير موصليته الناجمة عن ذرات الكربون. وتمثل أنماط تغيرات الموصلية بين الپوليمرات الاثني عشر بصمة لذلك الغاز بعينه.

 

«بشرة» حساسة للضغط يمكنها إضفاء حاسة اللمس على الإنسالات. إن كلا من هذه المحسات التي طورها <T. سوميا> والعاملون معه في جامعة طوكيو هو مربع طول ضلعه نحو 3 مليمترات. يمكن وصل الرقع المربعة من المحسات معا لتغطية مساحات أكبر بمجرد لصقها معا بعد محاذاة إلكتروداتها. إن الترانزستورات التي تتحكم في المحسات مصنوعة من الپنتاسين.

 

يمكن الحصول على آثار مشابهة باستخدام الپوليمرات الموصلة أو شبه الموصلة بدلا من مركبات مسحوق الكربون، إذ يمكن لمحسات الپوليمر الموصلة أن تعمل على نحو أكثر مباشرة من خلال تغير المقاومة الكهربائية للپوليمر، كما يمكن تفصيلها على شكل مكثفات أو ترانزستورات المفعول الحقلي (المجالي)⁽¹²⁾، التي تتغير خواصها تبعا للغاز الذي يجري امتصاصه في الپوليمر. ويمكن للمحسات المصنوعة من المواد الپلاستيكية الموصلة أن تمتلك حساسية أعلى من الأنواع المركبة القديمة. وعلى وجه الخصوص، يمكن للترانزستورات أن تعمل كمضخمات لاستجابة الپوليمر مُبيتة داخليا. ويمكن لاستجابة العنصر للغازات أن تعتمد على البنية التفصيلية للترانزستور وعلى نوع الپوليمر المستخدم أيضا. ففي عام 2001، قام <A. دودابالاپور> [وهو الآن في جامعة تكساس بأوستن] والعاملون معه باستعراض هذه المحسات التي تستخدم ترانزستوراتِ غشاءٍ رقيقٍ عضوية. لكن أيا من هذه المحسات لم يطرح في الأسواق حتى الآن. ومنذ وقت قريب كان <دودابالاپور> يدرس محسات كيميائية ذات حجوم نانوية. وقد وجد أن المحسات القائمة على ترانزستورات يصل صغر أطوال قنواتها إلى 10 نانومترات تستجيب بطريقة أفضل بكثير مما تفعله المحسات الأكبر.

 

يمكن تضمين مثل هذه المحسات في نسيج لباس الشخص كما في الأدوات الإلكترونية القابلة للارتداء. فكما أُعلن في الاجتماع الدولي للأدوات الإلكترونيةIEDM عام 2003، استعرض <V. سوبرامانيان> وزملاؤه بجامعة كاليفورنيا في بيركلي كيفية بناء ترانزستورات مباشرة على الألياف. (عملت مجموعته أيضا بالمحسات الكيميائية). فقد صُنعت الترانزستورات فعليا من مزيج من المواد من بينها خيوط من الألمنيوم وتلامسات ذهبية. وصنعت قنوات الترانزستورات من الپنتاسين المرن بحركية تساوي 0.05 سنتيمتر مربع للڤلط في الثانية. وتم تشكيل الترانزستورات عند كل تقاطع للألياف المتصالبة. وكان التصنيع برمته جَمْعيًا additive؛ إذ جرى توضيع الألياف، وترسيب الطبقات الأخرى عليها. وبتفادي الحاجة إلى حفر النماذج، كما يحصل في الطباعة العادية، تبقى هذه السيرورة عملية من أجل التوسع لتشمل مساحات كبيرة من المادة.

 

على الرغم من أن بوابات الترانزستورات استخدمت أكسيدا غير مرن كطبقة عازلة، فقد أمكن حني النسيج إلى ما يعادل أسطوانة قطرها 15 سنتيمترا دون الإضرار بمواصفات الترانزستور. كما أن استبدال الأكسيد بعازل عضوي مرن من شأنه أن يتيح انحناء أشد درجة.

 

يمكن للمرء تخيل أقمشة مصنوعة من أنسجة إلكترونية بخواص قابلة للتحكم فيها، منها اللون من أجل التمويه أو إظهار المعلومات، والمسامية من أجل التحكم في التعرق، وتغيرات أخرى لإحداث تسخين أو تبريد. إن مثل هذه الحواسيب القابلة للارتداء يمكنها أيضا مراقبة إشارات المرء الحيوية أو البيئة المحيطة. أما شبكة الخيوط فيمكنها أن تسمح للقماش الممزق أو المتعرض للتلف بتحويل مسارات الإشارات حول المنطقة الممزقة.

 

يمكن للمرء أن يتخيل أنسجة إلكترونية ذات خواص يمكن التحكم فيها،

مثل اللون للتمويه أو لإظهار المعلومات.

 

 

يبقى هناك الكثير من العمل من أجل تحقيق تلك الأهداف. وكبداية، يجب أن تكون الترانزستورات أكثر متانة من أجل تحمل ثني المادة وليِّها. لكن مثل هذه التطبيقات لا تتطلب أداء عاليا من الترانزستورات.

 

وإذا كان اللباس المحوسب لا يثير اهتمامك، فما رأيك بالبشرة الإلكترونية؟ ففي الشهر11/2003 أعلن <T. سوميا> والعاملون معه في جامعة طوكيو عن استخدام ترانزستورات پنتاسين في صفيحة مرنة لتشكيل جلد حساس للضغط يمكن استخدامه لتزويد إنسالة بحاسة اللمس [انظر الأشكال في الصفحة المقابلة]. وكان الجزء الحساس للضغط في هذه البنية عبارة عن طبقة من مركبcomposite كربوني مطاطي ذي مقاومة تتغير تبعا لمقدار الضغط المطبق عليها. ويؤدي تغير المقاومة إلى تشغيل ترانزستور موجود تحتها. لقد أنتج الفريق وحدات يتألف كل منها من صفيف ذي  16×16محسا، وكل محس مساحته  3×3مليمترات، مع ترانزستورات إلى جانبه من أجل استخلاص الإشارات من الصفوف والأعمدة.

 

من أجل تغطية مساحة كبيرة، يمكن وصل الوحدات بمراكبة overlappingالإلكترودات (المساري) عند حافاتها فقط ووضع شريط لاصق عليها، إلا أنه ليس هناك من سبب يمنع صنع وحدات محسات أكبر. فالبنية برمتها مصنوعة كليا من پوليمرات وپنتاسين باستثناء الإلكترودات الذهبية وطلاء نحاسي يلي طبقة المركب الكربوني المطاطي. ويمكن حني الوحدات حتى يصبح نصف قطر الانحناءة 5 مليمترات، وهو ما يكفي لتطويق أصابع نحيلة. أما العيب في التصميم الحالي فهو ضعف استقرار ترانزستورات المحسات، فقد تدنت استجاباتها بعد يومين فقط. ومن الناحية المثالية، يجب أن تدوم المحسات شهورا أو سنوات عدة. والمشكلة الأخرى هي ڤلطية التشغيل العالية ـ 40 ڤلط ـ التي يأمل الباحثون بتخفيضها إلى 10 ڤلط.

 

إن الإنسالات ليست شائعة خارج مجالات الصناعة والهوايات والدمى (مثل كلب الشركة سوني المسمى أيبو). فلجنة الأمم المتحدة الاقتصادية لأوروبا تُقدر أن 000 50 إنسالة منزلية فقط (معظمها آلات لجز العشب ومكانس كهربائية) تم بيعها في أنحاء العالم حتى نهاية عام 2002، لكنها تتنبأ بأن الرقم سوف يتضاعف أكثر من عشر مرات بحلول نهاية عام 2006. وإلى جانب الإنسالات، سوف تعم الحياة اليومية على نحو متزايد أدوات ومنتجات ذكية تعج بالمظاهير والمحسات. وسوف تؤدي الإلكترونيات العضوية دورا حاسما مع ازدهار هذا المستقبل التآثري السريع التغير.

 

 المؤلف

Graham P. Collins

 

كاتب ومحرر في ساينتفيك أمريكان.

 

مراجع للاستزادة 

Plastic Electronics. Dago de Leeuw in Physics World, Vol. 12, No. 3, pages 31-34; March 1999.

Polymer Diodes. Richard Friend, Jeremy Burroughes and Tatsuya Shimodasome in Physics World, Vol. 12, No. 6, pages 35-40; June 1999.

Flexible Active-Matrix Displays and Shift Registers Based on Solution-Processed Organic Transistors. Gerwin H. Gelinck et al. in Nature Materials, Vol. 3, No. 2, pages 106-110; February 2004.

Elastomeric Transistor Stamps: Reversible Probing of Charge Transport in Organic Crystals. Vikram C. Sundar et al. in Science, Vol. 303, pages 1644-1646; March 12, 2004.

The Nobel Prize in Chemistry, 2000-Information for the Public:

www.nobel.se/chemistry/laureates/2000/public.html

Scientific American, August 2004

 

(*) NEXT STRETCH FOR PLASTIC ELECTRONICS

(**) Organic Semiconductors

(***) Overview/ Plastic Electronics

(****) Printing Machines

(*****) Conductive Plastics

(******) Display and RFIDs

(*******) Memory, Noses and Skin

 

(1) ج: إنسالة robot وهذه نحت من إنسان ـ آلي.

(2) radio-frequency identification tags

(3) polyethylenedioxythio-phene

(4) pattern، أي شكل العنصر الإلكتروني المرغوب في صنعه.

(5) monomer، جزيء عضوي بسيط وخفيف نسبيا يمكنه الارتباط بجزيئات أخرى في سلاسل طويلة لتشكيل جزيء أو پوليمر أكثر تعقيدا.

(6) pixel، أي عنصر صورة.

(7) complementary metal oxide-semiconductor

(8) تردد المِيقْت: التردد الرئيسي للنبضات الدورية التي تبرمج عمل الحاسوب.

(9) switching speeds

(10)International Electron DevicesMeeting

(11)Dynamic Random Access Memory

(12) field – effect transistor