قصة نجاح العميل
تمكين الاختراقات في أبحاث الترانزستور الحراري
تمكين الاختراقات في أبحاث الترانزستور الحراري: تعرف على كيفية استخدام جامعة هوكايدو NETZSCH PicoTR لدفع حدود قياس الأغشية الرقيقة
يحتل البروفيسور هيروميتشي أوهتا وفريقه في جامعة هوكايدو موقع الصدارة في مجال الأبحاث حول الترانزستورات الحرارية الكهروكيميائية الصلبة. وباستخدام محلل NETZSCH PicoTR ، يمكنهم قياس الخصائص الفيزيائية الحرارية للأغشية الرقيقة للغاية بدقة - وهي خطوة رئيسية نحو تحقيق تقنيات الإدارة الحرارية من الجيل التالي.
في قصة نجاح العميل هذه، نجري مقابلة مع عميلنا طويل الأمد، البروفيسور هيروميتشي أوهتامدير معهد أبحاث العلوم الإلكترونية بجامعة هوكايدو في اليابان. وهو يستخدم الأداةNETZSCH PicoTR لقياس الأغشية الرقيقة المطبقة في الترانزستورات الحرارية. كان مختبر أبحاثه في جامعة هوكايدو أول من طور ترانزستورات حرارية كهروكيميائية صلبة.
أجرى المقابلة نارومي فوكودا وكازوكو إيشيكاوا (NETZSCH اليابان)
عن الشخص الذي تمت مقابلته، البروفيسور هيروميتشي أوهتا
ولدهيروميتشي أوهتا (الشكل 1) في عام 1971. تخرج من كلية الهندسة في جامعة سايتاما في مارس/آذار 1994. بعد حصوله على درجة الماجستير في الكيمياء التطبيقية من كلية الدراسات العليا للهندسة بجامعة ناغويا في مارس/آذار 1996، عمل باحثًا في مختبر تطوير تكنولوجيا الطاقة اللينة التابع لشركة سانيو إلكتريك المحدودة، وكذلك باحثًا في مركز البحث والتطوير للتكنولوجيا المتقدمة التابع لشركة هويا. كما شغل أيضاً منصب رئيس مجموعة مشروع المواد الكهروضوئية الشفافة في شركة هوسونو.
وفي عام 2003، أصبح أستاذاً مشاركاً في كلية الدراسات العليا للهندسة بجامعة ناغويا. وفي عام 2012، أصبح أستاذاً في معهد أبحاث العلوم الإلكترونية بجامعة هوكايدو، وهو المنصب الذي لا يزال يشغله حتى اليوم. ومنذ عام 2025، شغل منصب مدير معهد أبحاث العلوم الإلكترونية. وهو حاصل على درجة الدكتوراه في الهندسة من معهد طوكيو للتكنولوجيا (2001).
تشمل مجالاته البحثية الرئيسية الترانزستورات الحرارية (المفاتيح الحرارية)، ومواد التحويل الكهروحرارية وترانزستورات الأغشية الرقيقة الأكسيدية. وقد قام بتأليف أكثر من 280 بحثاً في مجلات محكّمة من قبل الأقران، تم الاستشهاد بها أكثر من 24,800 مرة، مع مؤشر H-index 61.
نبذة عن معهد بحوث العلوم الإلكترونية (RIES)
تأسس معهد بحوث العلوم الإلكترونية (RIES) في جامعة هوكايدو (الشكل 2) في الأصل في عام 1943 باسم معهد بحوث الموجات القصيرة جداً. وفي وقت لاحق، أصبح فيما بعد معهد الكهرباء التطبيقية قبل أن يتبنى اسمه الحالي في عام 1993. ومن خلال البحوث المتطورة والتعليم، يواصل المعهد المساهمة في تقدم العلوم الإلكترونية.
يتألف المعهد من ثلاثة أقسام بحثية رئيسية: قسم الضوئيات والعلوم البصرية، وقسم علوم المواد والعلوم الجزيئية، وقسم علوم الحياة. بالإضافة إلى ذلك، يضم مركز أبحاث تكنولوجيا النانو الخضراء ومركز أبحاث الرياضيات للإبداع الاجتماعي.
لماذا NETZSCH PicoTR ؟
NETZSCH: البروفيسور أوهتا، لماذا اخترت أداة NETZSCH لبحثك؟ يرجى إخبارنا بالمزيد عن أهدافك في التحليل والعوامل الرئيسية التي أثرت على قرارك.
البروفيسور أوهتا:
"لقد كنت أجري أبحاثاً في مجال الأغشية الرقيقة لفترة طويلة. عندما يتعلق الأمر بتكنولوجيا التحويل الكهروحراري، فإن قياس التوصيل الحراري أمر ضروري. قبل تطوير PicoTRكنت أعتقد أن "قياس الأغشية الرقيقة أمر صعب"، و"لا يستطيع قياسها سوى الأشخاص المتخصصين"، و"لم تكن هناك أجهزة متاحة لقياس الأغشية الرقيقة"
وكثيراً ما نصحني الناس "لماذا لا تقيس باستخدام طريقة 3 أوميغا؟" ولكن كان هناك تصور قوي بأن ذلك سيكون مستحيلاً بدون تقنية نقش الخطوط الدقيقة المعدنية.
ومع ذلك، عندما تم إصدار الجهاز PicoTR ، سمعت عنه بسرعة، وسرعان ما سمعت عنه، وكانت هناك شائعات تقول: "يبدو أن هذا الجهاز قادر على قياس الأغشية الرقيقة" في ذلك الوقت، تصادف أنني حصلت على منحة بحثية كنت قد تقدمت بطلب للحصول عليها، لذلك قررت أن أجرب استخدام PicoTR (الشكل 3) وقدمته في معهدنا. وتكللت التجربة بالنجاح!
اليوم، أقوم بإجراء أبحاث على الأغشية الرقيقة لتطوير ترانزستورات حرارية كهروكيميائية صلبة. وأعتقد أن PicoTR مناسب تمامًا لقياسها."
الميزات الفريدة التي تحدث فرقاً
NETZSCH: هل هناك أي ميزات في نظام PicoTR الذي تستخدمه مفيدة بشكل خاص لتطبيقك الخاص؟
البروفيسور أوتا:
: "إحدى الميزات الفريدة لنظام PicoTR هي زمن التأخير الذي يبلغ 50 نانو ثانية. عندما قدمت هذه البيانات في مؤتمر دولي، سُئلت في كثير من الأحيان: "ألم يكن ذلك خطأ؟ ألا ينبغي أن يكون 5 نانوثانية؟" يبدو أن الباحثين في معاهد أخرى لديهم أجهزة بزمن تأخير يبلغ حوالي 5 نانو ثانية فقط.
عند القياس في وضع FF وأخذ زمن التأخير على المحور الأفقي، يمكن ملاحظة تضاؤل إشارة الانعكاس الحراري (الشكل 4). ومع ذلك، كانت هناك بيانات يمكن ملاحظتها لأول مرة عند القياس حتى 50 نانو ثانية. لذلك، شعرت أنه من غير الملائم بعض الشيء إجراء قياسات بجهاز لا يمكن ملاحظته إلا حتى 5 نانو ثانية"
في الشكل أدناه، يوضح الخط الأزرق البيانات التي تم قياسها بواسطة PicoTR ، ويوضح الخط الأحمر البيانات التي تم تركيبها للتحليل (الشكل 5). إذا تطابق القياس الفعلي والتركيب حتى 50 نانو ثانية، فمن الواضح أن قيمة نتيجة التحليل صحيحة. إذا كان بإمكانه القياس حتى 5 نانو ثانية فقط، فسيكون هناك بعض عدم اليقين في النتائج. ولذلك، أعتقد أن القدرة على قياس ما يصل إلى 50 نانو ثانية هي إحدى نقاط القوة الكبيرة في PicoTR.
البروفسور أوهتا:
"كلما ألقيت محاضرات في الخارج، دائمًا ما يكون هناك طلاب بين الحضور يستخدمون أنظمة مماثلة ويعملون كمعلمين وأساتذة في أماكن مختلفة، بما في ذلك هونغ كونغ والصين وكوريا. عندما يرون بياناتي، دائمًا ما يتفاجأون ويقولون: "50 نانو ثانية؟ أليس هناك صفر إضافي؟". أعتقد أنه من الرائع أن PicoTR يمكنه مراقبة إشارة الانعكاس الحراري حتى 50 نانو ثانية.
ميزة أخرى هي أنه يمكنك تشغيل نظام NETZSCH حتى بدون معرفة متعمقة. ليس لدي معرفة كبيرة بالتحليل الحراري، لذلك حتى لو طلب مني شخص ما بناء جهاز تحليل حراري للأغشية الرقيقة وأعطاني الأجزاء، فلن أتمكن من القيام بذلك. (يضحك)
غالبًا ما يقوم الباحثون والمهندسون المتخصصون في التحليل الحراري بجمع الأجزاء وبناء الأدوات وإجراء القياسات بأنفسهم. لذا، عادةً ما تكون أجهزة TDTR (الانعكاس الحراري في المجال الزمني ) أكبر حجمًا ولا تقيس سوى 5 نانو ثانية. ومع ذلك، يتيح لك PicoTR ، بتصميمه المدمج، الحصول على البيانات بنقرة واحدة فقط."
تعليق NETZSCH: كما ذكرتم، فإن أولئك الذين يعملون مع التأخير الضوئي TDTR غالبًا ما يعانون من صعوبة في محاذاة أشعة الليزر في الفضاء، وهو ما قد يكون صعبًا للغاية. نعتقد أن أحد أسباب إمكانية تسويق PicoTR مع التأخير الكهربائي هو أن محاذاة هذا الجهاز أسهل بكثير.
من البيانات المختبرية إلى التأثير على أرض الواقع
NETZSCH: كيف أثرت نتائج التحليل على بحثك؟ هل تمكنتم من اكتساب رؤى جديدة، أو هل ظهر تطور جديد تمامًا؟
البروفيسور أوهتا
"لا أعتقد أنه كان بإمكاننا تسويق الترانزستورات الحرارية الكهروكيميائية الصلبة بدون PicoTR.
في بحوث الترانزستور الحراري، من الضروري تشغيل الترانزستور الحراري وإيقاف تشغيله بشكل متكرر وقياس كيفية تغير توصيله الحراري. عندما قدمت ورقتى البحثية لأول مرة، قمت بإجراء 10 عمليات تشغيل متكررة وتمكنت من الحصول على 10 قياسات، لذلك قدمت الورقة البحثية بهذه البيانات.
ومع ذلك، أثناء عملية مراجعة ورقة بحثية أحدث، طُلب مني أثناء عملية المراجعة: "يرجى قياس 10 إلى قوة 6 (مليون) مرة" من الواضح أن هذا أمر غير معقول، لذلك اضطررت إلى تقليلها إلى 100 مرة. حتى 100 مرة كانت صعبة للغاية. في النهاية، قررت في النهاية إجراء قياس باستخدام PicoTR مرة واحدة كل 10 تجارب. واستنادًا إلى هذه التجربة، أدركت أنه سيكون من الرائع أن يتمكن PicoTR من التنبؤ بالتغيرات في التوصيل الحراري مع الحفاظ على أدائه الممتاز."
رؤية للمستقبل: "العرض الحراري"
NETZSCH: دعونا نلقي نظرة على المستقبل: هل هناك تحديات أخرى ترغب في معالجتها؟
البروفيسور أوهتا:
"بينما أخطط لمواصلة أبحاثي الحالية، فإنني شخصياً أرغب في تطوير "العرض الحراري" عندما أتحدث مع الناس عن هذا الأمر، غالباً ما يقولون "لا أفهم تماماً" ولكن هذه هي رؤيتي لـ "العرض الحراري":
أريد تطوير مفتاح يمكن أن يغيّر النفاذية الحرارية. تخيل كل بكسل من النص (الشكل 7) كمفتاح حراري. يمثل الجزء البرتقالي مفتاحًا يسمح بمرور الحرارة بسهولة، بينما يمثل الجزء الأسود منطقة لا تمر فيها الحرارة. يوجد داخل هذه الحاوية حديد ساخن منصهر. هذا الحديد المنصهر هو مصدر الحرارة، وتستخدم الشاشة تقنية الأشعة تحت الحمراء.
أريد تطوير تقنية يمكنها استخدام الحرارة المنبعثة لعرضها على شاشة. من المفترض أن تكون درجة الحرارة في هذه الغرفة (الموضحة) 100 درجة مئوية. أعتقد أنه لن تتمكن عادةً من وضع جهاز تلفزيون أو شاشة عرض في مثل هذه البيئة. لن تعمل شاشات LCD وشاشات OLED، وأنا أتخيل سيناريو لا يمكن للبشر العمل في هذه البيئة.
في هذه البيئة، يمكن للروبوتات فقط العمل في هذه البيئة. ستلتقط هذه الروبوتات إشارات الأشعة تحت الحمراء وتتحرك وفقاً للتعليمات المعروضة على الشاشة. لست متأكدًا مما إذا كان هذا الأمر سيتحقق في يوم من الأيام، ولكنني آمل في تطوير هذا النوع من "العرض الحراري" ومع ذلك، عندما أتحدث إلى الخبراء حول هذا الموضوع، لا يفهمون ذلك، لذلك طلبت من مصمم جرافيك أن يصمم هذه الصورة. (يضحك) حاولت أيضًا استخدام الذكاء الاصطناعي (مثل ChatGPT) لإنشاء صورة، لكنها لم تتطابق تمامًا مع رؤيتي."
نصيحة لمستخدمي PicoTR المستقبليين
NETZSCH: إذا كان بإمكانك تقديم نصيحة أو نقاط تحذير لشخص يفكر في إدخال PicoTR ، فماذا ستكون؟
البروفيسور أوهتا:
"فيما يتعلق باختيار العينات من أجل PicoTRفإن العينات الرقيقة التي نستخدمها مثالية. ومع ذلك، لا أعتقد أن PicoTR سيعمل بشكل جيد مع العينات الأكثر سمكًا أو تلك التي تحتوي على خشونة سطحية بارزة. في بعض الأحيان نتلقى طلبات لقياس العينات باستخدام PicoTR ، وعندما أنظر إلى العينات التي يرسلونها، غالبًا ما تكون ذات خشونة سطح بارزة. لذلك، إذا قررت إدخال PicoTR ، فإنني أوصي باستخدام عينات رقيقة ذات أسطح ملساء."
NETZSCH: شكراً جزيلاً على هذه الأفكار المثيرة للاهتمام، بروفيسور أوهتا! نحن فخورون بدعم أبحاثك من خلال محللنا PicoTR. علاوة على ذلك، لقياس العينات الأكثر سمكًا، يمكننا أن نوصي باستخدام محلل فلاش الليزر. 😉
