পদার্থবিজ্ঞানের 140 বছরের পুরনো রহস্য উন্মোচন করা

আইবিএম রিসার্চ থেকে লেখকদের একটি নিবন্ধের অনুবাদ।

পদার্থবিজ্ঞানের একটি গুরুত্বপূর্ণ অগ্রগতি আমাদেরকে সেমিকন্ডাক্টরগুলির শারীরিক বৈশিষ্ট্যগুলি আরও বিশদে অধ্যয়ন করার অনুমতি দেবে। এটি পরবর্তী প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর প্রযুক্তির বিকাশকে ত্বরান্বিত করতে সহায়তা করতে পারে।

লেখক:
ওকি গুনাওয়ান - স্টাফ সদস্য, আইবিএম গবেষণা
ডগ বিশপ - ক্যারেক্টারাইজেশন ইঞ্জিনিয়ার, আইবিএম রিসার্চ

সেমিকন্ডাক্টর হল আজকের ডিজিটাল ইলেকট্রনিক যুগের মৌলিক বিল্ডিং ব্লক, যা আমাদের বিভিন্ন ধরনের ডিভাইস সরবরাহ করে যা আমাদের আধুনিক জীবনকে উপকৃত করে, যেমন কম্পিউটার, স্মার্টফোন এবং অন্যান্য মোবাইল ডিভাইস। সেমিকন্ডাক্টর কার্যকারিতা এবং কর্মক্ষমতার উন্নতিগুলি কম্পিউটিং, সেন্সিং এবং শক্তি রূপান্তরে পরবর্তী প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর অ্যাপ্লিকেশনগুলিকেও সক্ষম করছে। সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস এবং উন্নত সেমিকন্ডাক্টর উপকরণের অভ্যন্তরে ইলেকট্রনিক চার্জ সম্পূর্ণরূপে বোঝার আমাদের ক্ষমতার সীমাবদ্ধতাগুলি কাটিয়ে উঠতে গবেষকরা দীর্ঘ সংগ্রাম করেছেন যা আমাদের এগিয়ে যাওয়ার ক্ষমতাকে আটকে রেখেছে।

জার্নালে একটি নতুন গবেষণায় প্রকৃতি IBM রিসার্চের নেতৃত্বে একটি গবেষণা সহযোগিতা পদার্থবিজ্ঞানে 140 বছরের পুরানো রহস্য সমাধানে একটি উত্তেজনাপূর্ণ অগ্রগতি বর্ণনা করে, যা আমাদের সেমিকন্ডাক্টরগুলির শারীরিক বৈশিষ্ট্যগুলিকে আরও বিশদে অধ্যয়ন করতে এবং নতুন এবং উন্নত সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলির বিকাশকে সক্ষম করতে দেয়৷

সেমিকন্ডাক্টরগুলির পদার্থবিদ্যাকে সত্যিকার অর্থে বোঝার জন্য, আমাদের প্রথমে পদার্থের মধ্যে চার্জ বাহকগুলির মৌলিক বৈশিষ্ট্যগুলি বুঝতে হবে, সেগুলি ঋণাত্মক বা ধনাত্মক কণা কিনা, একটি প্রয়োগিত বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রে তাদের গতি এবং কতটা ঘনত্বে তারা পদার্থের মধ্যে প্যাক করা হয়েছে। পদার্থবিদ এডউইন হল 1879 সালে এই বৈশিষ্ট্যগুলি নির্ধারণের একটি উপায় খুঁজে পান যখন তিনি আবিষ্কার করেন যে একটি চৌম্বক ক্ষেত্র একটি পরিবাহীর মধ্যে ইলেকট্রন চার্জের গতিবিধিকে প্রতিফলিত করবে এবং বিচ্যুতির পরিমাণটি চার্জের দিকনির্দেশক প্রবাহের লম্ব সম্ভাব্য পার্থক্য হিসাবে পরিমাপ করা যেতে পারে। কণা, যেমন চিত্র 1a এ দেখানো হয়েছে। হল ভোল্টেজ নামে পরিচিত এই ভোল্টেজটি সেমিকন্ডাক্টরের চার্জ বাহক সম্পর্কে গুরুত্বপূর্ণ তথ্য প্রকাশ করে, যার মধ্যে রয়েছে যে তারা নেতিবাচক ইলেকট্রন বা ধনাত্মক কোয়াসিপার্টিকেল যাকে "হোল" বলা হয়, বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রে তারা কত দ্রুত চলে, বা তাদের "গতিশীলতা" (µ ) , এবং সেমিকন্ডাক্টরের ভিতরে তাদের ঘনত্ব (n)।

140 বছরের পুরনো রহস্য

হলের আবিষ্কারের কয়েক দশক পরে, গবেষকরা আরও আবিষ্কার করেছিলেন যে তারা আলোর সাহায্যে হলের প্রভাব পরিমাপ করতে পারে-ফটো-হল নামক পরীক্ষা, চিত্র 1b দেখুন। এই ধরনের পরীক্ষায়, আলোক আলো অর্ধপরিবাহীতে একাধিক বাহক বা ইলেকট্রন-হোল জোড়া তৈরি করে। দুর্ভাগ্যবশত, বেসিক হল এফেক্ট সম্পর্কে আমাদের বোধগম্যতা শুধুমাত্র সংখ্যাগরিষ্ঠ (বা সংখ্যাগরিষ্ঠ) চার্জ ক্যারিয়ারের অন্তর্দৃষ্টি প্রদান করেছে। গবেষকরা একই সাথে উভয় মিডিয়া (প্রধান এবং অ-প্রধান) থেকে পরামিতি বের করতে অক্ষম ছিলেন। এই ধরনের তথ্য অনেক আলো-সম্পর্কিত অ্যাপ্লিকেশনের জন্য গুরুত্বপূর্ণ, যেমন সৌর প্যানেল এবং অন্যান্য অপটোইলেক্ট্রনিক ডিভাইস।

আইবিএম গবেষণা ম্যাগাজিন গবেষণা প্রকৃতি হল প্রভাবের দীর্ঘদিনের গোপন রহস্য প্রকাশ করে। কোরিয়া অ্যাডভান্সড ইনস্টিটিউট অফ সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজি (কেএআইএসটি), কোরিয়া রিসার্চ ইনস্টিটিউট অফ কেমিক্যাল টেকনোলজি (কেআরআইসিটি), ডিউক ইউনিভার্সিটি এবং আইবিএম-এর গবেষকরা একটি নতুন সূত্র এবং কৌশল আবিষ্কার করেছেন যা আমাদের একই সাথে মৌলিক এবং অ-মৌলিক সম্পর্কে তথ্য বের করতে দেয়। বাহক, যেমন তাদের ঘনত্ব এবং গতিশীলতা, সেইসাথে ক্যারিয়ারের জীবনকাল, বিস্তারের দৈর্ঘ্য এবং পুনর্মিলন প্রক্রিয়া সম্পর্কে অতিরিক্ত তথ্য প্রাপ্ত করে।

আরও নির্দিষ্টভাবে, একটি ফটো-হল পরীক্ষায়, উভয় বাহক পরিবাহিতা (σ) এবং হল সহগ (H, চৌম্বক ক্ষেত্রের হল ভোল্টেজের অনুপাতের সমানুপাতিক) পরিবর্তনে অবদান রাখে। মূল অন্তর্দৃষ্টি আলোর তীব্রতার একটি ফাংশন হিসাবে পরিবাহিতা এবং হল সহগ পরিমাপ থেকে আসে। পরিবাহিতা-হল সহগ বক্ররেখা (σ-H) আকারে লুকানো মৌলিকভাবে নতুন তথ্য দেখায়: উভয় বাহকের গতিশীলতার পার্থক্য। নিবন্ধে আলোচনা করা হয়েছে, এই সম্পর্ক মার্জিতভাবে প্রকাশ করা যেতে পারে:

$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$

অন্ধকারে একটি ঐতিহ্যগত হল পরিমাপ থেকে পরিচিত সংখ্যাগরিষ্ঠ বাহক ঘনত্ব দিয়ে শুরু করে, আমরা আলোর তীব্রতার একটি ফাংশন হিসাবে সংখ্যাগরিষ্ঠ এবং সংখ্যালঘু ক্যারিয়ারের গতিশীলতা এবং ঘনত্ব উভয়ের জন্যই প্রকাশ করতে পারি। দলটি নতুন পরিমাপ পদ্ধতির নাম দিয়েছে: ক্যারিয়ার-সমাধানকৃত ফটো হল (CRPH)। আলোর আলোকসজ্জার একটি পরিচিত তীব্রতার সাথে, ক্যারিয়ারের জীবনকাল একইভাবে প্রতিষ্ঠিত হতে পারে। হল প্রভাব আবিষ্কারের পর থেকে এই সংযোগ এবং এর সমাধানগুলি প্রায় দেড় শতাব্দী ধরে লুকিয়ে আছে।

এই তাত্ত্বিক বোঝার অগ্রগতি ছাড়াও, পরীক্ষামূলক পদ্ধতিতে অগ্রগতিও এই নতুন পদ্ধতিটি সক্ষম করার জন্য গুরুত্বপূর্ণ। পদ্ধতিটির জন্য হল সিগন্যালের একটি বিশুদ্ধ পরিমাপ প্রয়োজন, যা হলের সংকেত দুর্বল (উদাহরণস্বরূপ, কম গতিশীলতার কারণে) বা যখন শক্তিশালী আলো বিকিরণ সহ অতিরিক্ত অবাঞ্ছিত সংকেত উপস্থিত থাকে এমন উপাদানগুলির জন্য কঠিন হতে পারে। এটি করার জন্য, একটি দোদুল্যমান চৌম্বক ক্ষেত্র ব্যবহার করে হল পরিমাপ করা প্রয়োজন। ঠিক যেমন রেডিও শোনার সময়, আপনাকে পছন্দসই স্টেশনের ফ্রিকোয়েন্সি নির্বাচন করতে হবে, শব্দ হিসাবে কাজ করে এমন অন্যান্য সমস্ত ফ্রিকোয়েন্সি বাদ দিয়ে। CRPH পদ্ধতিটি আরও এক ধাপ এগিয়ে যায় এবং সিঙ্ক্রোনাস সেন্সিং নামক একটি পদ্ধতি ব্যবহার করে শুধুমাত্র পছন্দসই ফ্রিকোয়েন্সিই নয় বরং দোদুল্যমান চৌম্বক ক্ষেত্রের ধাপও নির্বাচন করে। দোদুল্যমান হল পরিমাপের এই ধারণাটি অনেক আগে থেকেই জানা ছিল, কিন্তু একটি দোদুল্যমান চৌম্বকীয় ক্ষেত্র তৈরি করতে ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক কয়েলের একটি সিস্টেম ব্যবহার করার ঐতিহ্যগত পদ্ধতিটি অকার্যকর ছিল।

আগের আবিষ্কার

বিজ্ঞানের ক্ষেত্রে যেমন প্রায়শই ঘটে, এক ক্ষেত্রে অগ্রগতি অন্য ক্ষেত্রে আবিষ্কার দ্বারা চালিত হয়। 2015 সালে, IBM রিসার্চ "উটের কুঁজ" প্রভাব নামক একটি নতুন চৌম্বক ক্ষেত্রের সীমাবদ্ধতার প্রভাবের সাথে যুক্ত পদার্থবিজ্ঞানে একটি পূর্বে অজানা ঘটনা রিপোর্ট করেছে, যা চিত্র 2a তে দেখানো হিসাবে ট্রান্সভার্স ডাইপোলের দুটি লাইনের মধ্যে ঘটে যখন তারা একটি সমালোচনামূলক দৈর্ঘ্য অতিক্রম করে। প্রভাব হল একটি মূল বৈশিষ্ট্য যা একটি নতুন ধরনের প্রাকৃতিক চৌম্বকীয় ফাঁদকে সক্ষম করে যাকে প্যারালাল ডাইপোল লাইন ট্র্যাপ (PDL ফাঁদ) বলা হয়, যেমন চিত্র 2b-এ দেখানো হয়েছে। চৌম্বকীয় PDL ফাঁদ বিভিন্ন ধরণের সেন্সিং অ্যাপ্লিকেশন যেমন টিল্টমিটার, সিসমোমিটার (ভূমিকম্প সেন্সর) জন্য একটি অভিনব প্ল্যাটফর্ম হিসাবে ব্যবহার করা যেতে পারে। এই ধরনের নতুন সেন্সর সিস্টেমগুলি, বড় ডেটা প্রযুক্তির সাথে মিলিত, অনেকগুলি নতুন অ্যাপ্লিকেশন খুলতে পারে, এবং IBM রিসার্চ টিম IBM ফিজিক্যাল অ্যানালিটিক্স ইন্টিগ্রেটেড রিপোজিটরি সার্ভিস (PAIRS) নামে একটি বড় ডেটা অ্যানালিটিক্স প্ল্যাটফর্ম তৈরি করে, যা ভূ-স্থানিকের সম্পদ ধারণ করে। এবং ইন্টারনেট অফ থিংস ডেটা। (IoT)।

আশ্চর্যজনকভাবে, একই PDL উপাদান আরেকটি অনন্য অ্যাপ্লিকেশন আছে. যখন ঘোরানো হয়, এটি চৌম্বক ক্ষেত্রের একমুখী এবং বিশুদ্ধ সুরেলা দোলন (চিত্র 2c) পেতে একটি আদর্শ ফটো-হল পরীক্ষা পদ্ধতি হিসাবে কাজ করে। আরও গুরুত্বপূর্ণভাবে, সিস্টেমটি নমুনার বিস্তৃত এলাকার আলোকসজ্জার অনুমতি দেওয়ার জন্য পর্যাপ্ত স্থান সরবরাহ করে, যা ফটো-হল পরীক্ষায় গুরুত্বপূর্ণ।

প্রভাব

আমরা যে নতুন ফটো-হল পদ্ধতিটি তৈরি করেছি তা আমাদের সেমিকন্ডাক্টর থেকে আশ্চর্যজনক পরিমাণে তথ্য বের করতে দেয়। ক্লাসিক্যাল হল পরিমাপে প্রাপ্ত মাত্র তিনটি প্যারামিটারের বিপরীতে, এই নতুন পদ্ধতিটি পরীক্ষিত প্রতিটি আলোর তীব্রতায় সাতটি পরামিতি পর্যন্ত ফল দেয়। এর মধ্যে রয়েছে ইলেকট্রন এবং ছিদ্র উভয়ের গতিশীলতা; আলোর প্রভাবের অধীনে তাদের ক্যারিয়ারের ঘনত্ব; পুনর্মিলন জীবনকাল; এবং ইলেকট্রন, গর্ত এবং অ্যাম্বিপোলার ধরনের জন্য প্রসারণ দৈর্ঘ্য। এই সমস্ত N বার পুনরাবৃত্তি করা যেতে পারে (অর্থাৎ পরীক্ষায় ব্যবহৃত আলোর তীব্রতার পরামিতির সংখ্যা)।

এই নতুন আবিষ্কার এবং প্রযুক্তি বিদ্যমান এবং উদীয়মান উভয় প্রযুক্তিতেই সেমিকন্ডাক্টর অগ্রগতিতে সাহায্য করবে। আমাদের কাছে এখন সেমিকন্ডাক্টর পদার্থের শারীরিক বৈশিষ্ট্যগুলিকে বিশদভাবে বের করার জন্য প্রয়োজনীয় জ্ঞান এবং সরঞ্জাম রয়েছে। উদাহরণস্বরূপ, এটি পরবর্তী প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর প্রযুক্তির উন্নয়নকে ত্বরান্বিত করতে সাহায্য করবে, যেমন ভালো সৌর প্যানেল, আরও ভালো অপটোইলেক্ট্রনিক ডিভাইস এবং কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তা প্রযুক্তির জন্য নতুন উপকরণ ও ডিভাইস।

মূল নিবন্ধটি 7 অক্টোবর, 2019 এ প্রকাশিত হয়েছে আইবিএম গবেষণা ব্লগ.
অনুবাদ: নিকোলে মারিন (নিকোলেমারিন), চিফ টেকনোলজি অফিসার আইবিএম রাশিয়া এবং সিআইএস দেশগুলিতে৷

উত্স: www.habr.com