ד"ר עומר יפה חוקר מוליכים-למחצה רכים בחיפוש אחר חומרים חדשניים
בדומה לסטודנט העושה את דרכו הראשונה בסביבה החברתית והפיסית של בית-ספר חדש ביומו הראשון ללימודים, אלקטרונים אף הם נעים בתוך חומרים בנחישות המעורבת בבלבול. סטודנט חדש עלול להיכנס לכיתה הלא נכונה, הוא יזדרז לתפוס מקום "טוב" בכיתה, וינסה לרכוש חברים חדשים בקפטריה. באופן דומה, אלקטרונים מנווטים את דרכם בחומר תוך שהם מתנגשים זה בזה, מוסטים מצד לצד, מתפזרים במרחב ומחליפים כיוון ללא הרף.
כדי להבין את תכונותיהם החשמליות והמבניות של חומרים חדשים ומתקדמים, יש צורך להתבונן באופן שבו אלקטרונים נעים מאטום אחד למשנהו וממולקולה לרעותה. מדענים מכנים תנועה זו בשם "העברת אלקטרונים", ומדידתה היא קריטית בהערכת הפוטנציאל של חומרים חדשים ומתקדמים.
ד"ר עומר יפה לומד תנועה זו של העברת אלקטרונים לעומק כחלק ממחקריו בעולם המוליכים-למחצה הרכים (Soft Semiconductors). ד"ר יפה, שהצטרף למחלקה לחומרים ופני שטח בשנת 2016, הוא אחד המדענים החדשים במכון אשר עובדים במרץ על הרחבת תחום המחקר של חומרים חדשים. נושא זה של מוליכים-למחצה רכים עומד בחזית המחקר בתחום זה.
חומרים רכים וגמישים
בשונה ממוליכים-למחצה מן השורה, דוגמת הסיליקון, אשר קשורים יחדיו בקשרים יציבים - אלקטרוניים או שיתופיים (קוולנטים) - מוליכים-למחצה רכים מורכבים ממולקולות אורגניות, פולימרים ויונים, המוחזקים יחדיו בקשרים אטומיים חלשים. חומרים אלו מעורבים בדור העתיד של מוצרים כגון תאים סולריים, מסכים דיגיטליים וגופי תאורה חזקים. במקרים רבים, מדובר בחומרים שקופים וגמישים אשר עשויים לשמש גם כעור אלקטרוני, תאים סולריים שקופים-למחצה (למשל עבור חלונות) ומכשור אלקטרוני גמיש כגון מחשוב לביש (Wearable Computing). מוליכים-למחצה רכים מסוגלים גם לחמם את עצמם, לרוב אינם יקרים, ניתנים לעיבוד בתמיסות כימיות (כגון חומרי ניקוי) וכן ניתנים להצמדה או להטמעה על פני שטח שונים.
אחד האתגרים הגדולים ביותר של התחום נותר בעינו: כיצד ניתן ללמוד את תכונות העברת האלקטרונים של חומרים אלו? היות שלכל מוליך-למחצה רך יש מבנה דינמי, כלים קונבנציונליים ומודלים קיימים של הובלת אלקטרונים אינם מספקים.
ד"ר יפה מתמודד עם אתגר זה על-ידי מחקר אשר משלב ספקטרוסקופיה – בדיקת האופן שבו אור מגיב לחומר – יחד עם מדידות של העברת אלקטרונים. כך הוא מנסה להבין את יחסי הגומלין שבין הדינמיקה המבנית והתפקוד האלקטרוני של חומרים אלו. שילוב זה של שתי שיטות שונות מהווה צעד משמעותי לקראת הבנה משופרת של מדע המוליכים-למחצה הרכים ועשוי להוביל לפיתוחם של מכשירים חדשניים המבוססים על חומרים חדשים אלו.
"אני רוצה להבין את יחסי הגומלין שבין אלקטרון והסביבה שלו, כיצד החומר מגיב לתנועת אלקטרונים ואיך תגובה זו משפיעה על האלקטרון", אומר ד"ר יפה.
ד"ר יפה הוא בוגר המחלקה אליה הצטרף. הוא השלים את הדוקטורט שלו במכון ויצמן למדע בשנת 2012 לאחר שחקר, תחת הנחייתו של פרופ' דוד כהן, את התופעה של העברת אלקטרונים בתרכובות היברידיות המשלבות חומר אורגני ואנאורגני. במסגרת לימודיו הוא גם חקר דרכים שונות שבאמצעותן ניתן "לכוונן" את התכונות האלקטרוניות של מוליכים-למחצה אנאורגניים כך שישמשו בתעשיית הננוטכנולוגיה.
ד"ר יפה עשה את תקופת הפוסט-דוקטורט במרכז לחקר החדשנות באנרגיה (Energy Frontier Research Center) של אוניברסיטת קולומביה, שם פיתח מומחיות במיקרו-ספקטרוסקופיה אופטית ושכלל שיטה חדשה לאיתור תנועות אטומיות בתדרים נמוכים בחומרים רכים. באמצעות מתודולוגיה חדשה בשם THz-Domain Raman Scattering, הוא חקר כיצד סוג מסוים של גביש הקרוי פרבוסקיט היברידי (Hybrid Pervoskite) מסתובב ורוטט. פרבוסקיטים היברידיים התגלו לאחרונה כמועמדים מצוינים לשימוש בתעשיית התאים הסולריים, שכן ניתן לייצר מהם תאים סולריים זולים ויעילים במיוחד. ד"ר יפה ממשיך לבחון מה הופך גבישים אלו לכה יעילים בתאים סולריים, במטרה להסב אותם לשימושים נוספים.
ד"ר יפה גם עושה שימוש בהתפתחויות האחרונות בספקטרוסקופיה אופטית. הוא עוסק בפיתוח של שיטה חדשה לספקטרוסקופיה, על מנת למפות את התכונות המבניות והחשמליות של מוליכים-למחצה אורגניים והיברידיים, תוך כדי ביצוע מדידות של העברת אלקטרונים. הוא מתכנן ליישם שיטת מחקר חדשנית זו על מגוון סוגים של מוליכים-למחצה בכוונה לפתח מכשירים אלקטרונים יעילים יותר.
הטבלט הגמיש (בתמונה משמאל) הוא דוגמה ליישום שמחקרו של ד"ר עומר יפה עשוי לתרום לפיתוחו.
.Dr. Omer Yaffe is funded by the Benoziyo Fund for the Advancement of Science, the Larson Charitable Foundation, and Carolito Stiftung
