תופסים שמש

פרובוסקיטים האלידיים הם חומרים מבטיחים העשויים לחולל מהפכה בהפקת אנרגיה מאור השמש כמו גם במזעור רכיבים אלקטרוניים. מחקר שנערך בטכניון והתפרסם בכתב העת NanoLetters מציג הסבר ופתרון לאחת המגבלות הקיימות כיום בחומרים אלה

פיתוחם של חומרים ננומטריים הוא אתגר עצום וחשוב בהקשרים יישומיים רבים ובהם אנרגיה ומחשוב. האתגרים בתחום הראשון כוללים הפקת אנרגיה ממקורות מתחדשים, ובעיקר מקרינת השמש, ובתחום השני – מזעור רכיבים בתעשיית האלקטרוניקה.

ד"ר יהונדב בקנשטיין (מימין) ואמה מססה

ד"ר יהונדב בקנשטיין (מימין) ואמה מססה

אחת ההבטחות הגדולות בתחום זה טמונה בפרובוסקיטים האלידיים (halide perovskites) – חומרים ננומטריים מוליכים למחצה המופקים בשכבות דקות. תכונותיהן הייחודיות של שכבות אלה שונות מאוד מתכונותיהם של אותם חומרים בצורתם הגושית – למשל בהקשרים אופטואלקטרוניים, הרלוונטיים לאלקטרוניקה ולקציר אנרגיית שמש. יתרון נוסף שלהם הוא האפשרות לייצר את אותן שכבות במבנים ארוכים וגמישים יחסית; ובניגוד לחומרים מתחרים, כגון סיליקון וגרמניום, תכונותיהם של פרובסקיטים האלידיים כמעט אינן מושפעות מפגמים בחומר ומכיפופו – עד גבול מסוים, כפי שמראה המחקר הנדון בכתבה זו.

תכנונם של פרובוסקיטים האלידיים וייצורם הם אתגרים מורכבים מאוד, ובכך עוסקת קבוצת המחקר של ד"ר יהונדב בקנשטיין מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים. במחקר חדש שהתפרסם בכתב העת  היוקרתי NanoLetters מדווחים ד"ר בקנשטיין והמסטרנטית אמה מססה על הצלחה בפיתוח גבישים כאלה בתצורה של "חגורות" ננומטריות גמישות שעוביין כ-10 אטומים. מדובר ביריעות שאפשר לכופף אותן במידה רבה, ופעולה זו אינה פוגעת בתכונותיהן האנרגטיות – כאמור, עד גבול מסוים. במחקר הנוכחי הצליחו חוקרי הטכניון להגדיר את אותו גבול ובכך לסלול דרך לייצור "חגורות" השומרות על תכונותיהן החיוניות גם בכיפוף.

אמה מססה

אמה מססה

ד"ר יהונדב בקנשטיין

ד"ר יהונדב בקנשטיין

מססה עבדה במשך תקופה ארוכה על פיתוח מבנים אלה, ובמהלך הכנתם כדגמים לבדיקה במיקרוסקופ אלקטרונים גילתה, במפתיע, תכונה שלא הייתה ידועה עד כה: לאורך אותן חגורות קיימים "פסים" המאופיינים בניגודיות הפוכה; פירוש הדבר הוא שאזורים אלה מפזרים את קרן האלקטרונים לזוויות שונות ללא הסבר המניח את הדעת.

באמצעות טכניקות מיקרוסקופיה מתקדמות ערכה מססה סדרת ניסויים שבהם גילתה כי מדובר בקריסה (Buckling) –באותם ״פסים״ קיים כיפוף מקומי של הגביש, ולכן מישורי הגביש המוטים מפזרים את קרן האלקטרונים בצורה שונה. בנוסף, באזורי הקריסה קיימת פגיעה באותן תכונות אופטואלקטרוניות מבוקשות.

במאמר ב- NanoLettersמציגים החוקרים את התופעה האמורה ומשערים כי הקריסה נובעת מתכונות הנוצרות בתהליך ייבוש הגביש. בעזרת ד"ר נוי כהן, גם הוא חבר סגל בפקולטה למדע והנדסה של חומרים, חושבו הכוחות המובילים לתופעת הקריסה והוגדר "סף הכיפוף" – הכיפוף המקסימלי שאינו גורם לקריסה ולאובדן התכונות המבוקשות.

לדברי ד"ר בקנשטיין, "לתגליות הזאת יש ערך יישומי רב משום שגמישותן הרבה של אותן חגורות, והתכונות האופטואלקטרוניות שלהן, עשויות לאפשר לשלבן בגלאים מיוחדים, בנורות לד זעירות וגמישות ואפילו בבגדים שיפיקו אנרגיה מאור השמש במהלך היום. זהו הישג מרשים מאוד של אמה, שהיא סטודנטית מבריקה המסיימת בימים אלה את התואר השני במקביל לשירותה כקצינה בצה"ל. אמה היא שילוב מופתי של ספרא וסייפא."

העבודה הנוכחית נערכה בתמיכת GTEP – תכנית האנרגיה ע”ש ננסי וסטיבן גרנד בטכניון.

קבוצת המחקר של ד"ר יהונדב בקנשטיין

קבוצת המחקר של ד"ר יהונדב בקנשטיין

ד"ר יהונדב בקנשטיין השלים את כל תאריו בפיזיקה וכימיה באוניברסיטה העברית ופוסט-דוקטורט באוניברסיטת קליפורניה ברקלי, והצטרף לסגל הטכניון בשנת 2018. במהלך השנים זכה בפרסים רבים ובהם פרס קייט ופרנץ ווינר על הצטיינות בעבודת דוקטורט, מלגת רוטשילד היוקרתית לפוסט-דוקטורנטים ומלגת אלון לתמיכה במדענים צעירים. בספטמבר 2020 זכה ד"ר בקנשטיין ב-ERC Starting Grant – מענק יוקרתי של האיחוד האירופי לסגל אקדמי צעיר. מענקים אלה נועדו לסייע למדענים מבריקים בתחילת דרכם לבנות צוותי מחקר מנצחים שינהלו מחקר חלוצי בתחומם.

צילום במיקרוסקופ אלקטרונים: החגורה שפותחה בטכניון ובמרכזה פס הקריסה המאופיין בניגודיות הפוכה

צילום במיקרוסקופ אלקטרונים: החגורה שפותחה בטכניון ובמרכזה פס הקריסה המאופיין בניגודיות הפוכה

למאמר בכתב העת  NanoLetters לחצו כאן