भौतिकी में 140 साल पुराने रहस्य को उजागर करना

आईबीएम रिसर्च के लेखकों द्वारा एक लेख का अनुवाद।

भौतिकी में एक महत्वपूर्ण सफलता हमें अर्धचालकों की भौतिक विशेषताओं का अधिक विस्तार से अध्ययन करने की अनुमति देगी। इससे अगली पीढ़ी की सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकी के विकास में तेजी लाने में मदद मिल सकती है।

लेखक:
ओकी गुनावान - स्टाफ सदस्य, आईबीएम रिसर्च
डौग बिशप - कैरेक्टराइजेशन इंजीनियर, आईबीएम रिसर्च

सेमीकंडक्टर आज के डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक युग के बुनियादी निर्माण खंड हैं, जो हमें विभिन्न प्रकार के उपकरण प्रदान करते हैं जो हमारे आधुनिक जीवन को लाभ पहुंचाते हैं, जैसे कंप्यूटर, स्मार्टफोन और अन्य मोबाइल डिवाइस। सेमीकंडक्टर कार्यक्षमता और प्रदर्शन में सुधार कंप्यूटिंग, सेंसिंग और ऊर्जा रूपांतरण में अगली पीढ़ी के सेमीकंडक्टर अनुप्रयोगों को भी सक्षम कर रहा है। शोधकर्ताओं ने सेमीकंडक्टर उपकरणों और उन्नत सेमीकंडक्टर सामग्रियों के अंदर इलेक्ट्रॉनिक चार्ज को पूरी तरह से समझने की हमारी क्षमता में सीमाओं को दूर करने के लिए लंबे समय से संघर्ष किया है जो आगे बढ़ने की हमारी क्षमता को रोक रहे हैं।

जर्नल में एक नए अध्ययन में प्रकृति आईबीएम रिसर्च के नेतृत्व में एक शोध सहयोग भौतिकी में 140 साल पुराने रहस्य को सुलझाने में एक रोमांचक सफलता का वर्णन करता है, जो हमें अर्धचालकों की भौतिक विशेषताओं का अधिक विस्तार से अध्ययन करने और नए और बेहतर अर्धचालक सामग्रियों के विकास को सक्षम करने की अनुमति देगा।

अर्धचालकों की भौतिकी को वास्तव में समझने के लिए, हमें पहले सामग्रियों के भीतर आवेश वाहकों के मूलभूत गुणों को समझना होगा, चाहे वे नकारात्मक या सकारात्मक कण हों, लागू विद्युत क्षेत्र में उनकी गति, और वे सामग्री के भीतर कितनी सघनता से भरे हुए हैं। भौतिक विज्ञानी एडविन हॉल ने 1879 में इन गुणों को निर्धारित करने का एक तरीका खोजा जब उन्होंने पाया कि एक चुंबकीय क्षेत्र एक कंडक्टर के भीतर इलेक्ट्रॉन आवेशों की गति को विक्षेपित करेगा, और विक्षेपण की मात्रा को आवेश के दिशात्मक प्रवाह के लंबवत संभावित अंतर के रूप में मापा जा सकता है। कण, जैसा कि चित्र 1ए में दिखाया गया है। यह वोल्टेज, जिसे हॉल वोल्टेज के रूप में जाना जाता है, अर्धचालक में आवेश वाहकों के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रकट करता है, जिसमें यह भी शामिल है कि क्या वे नकारात्मक इलेक्ट्रॉन या सकारात्मक क्वासिपार्टिकल्स हैं जिन्हें "छेद" कहा जाता है, वे विद्युत क्षेत्र में कितनी तेजी से चलते हैं, या उनकी "गतिशीलता" (µ) ) , और अर्धचालक के अंदर उनकी सांद्रता (n)।

140 साल पुराना रहस्य

हॉल की खोज के दशकों बाद, शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि वे प्रकाश के साथ हॉल प्रभाव का माप कर सकते हैं - प्रयोगों को फोटो-हॉल कहा जाता है, चित्र 1बी देखें। ऐसे प्रयोगों में, प्रकाश रोशनी अर्धचालकों में कई वाहक, या इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े उत्पन्न करती है। दुर्भाग्य से, बुनियादी हॉल प्रभाव की हमारी समझ ने केवल बहुसंख्यक (या बहुमत) चार्ज वाहक में अंतर्दृष्टि प्रदान की है। शोधकर्ता दोनों मीडिया (प्रमुख और गैर-प्रमुख) से एक साथ पैरामीटर निकालने में असमर्थ थे। ऐसी जानकारी कई प्रकाश-संबंधित अनुप्रयोगों, जैसे सौर पैनल और अन्य ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण है।

आईबीएम रिसर्च पत्रिका अध्ययन प्रकृति हॉल प्रभाव के लंबे समय से छिपे रहस्यों में से एक का खुलासा करता है। कोरिया एडवांस्ड इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (केएआईएसटी), कोरिया रिसर्च इंस्टीट्यूट ऑफ केमिकल टेक्नोलॉजी (केआरआईसीटी), ड्यूक यूनिवर्सिटी और आईबीएम के शोधकर्ताओं ने एक नया फॉर्मूला और तकनीक खोजी है जो हमें बुनियादी और गैर-बुनियादी के बारे में एक साथ जानकारी निकालने की अनुमति देती है। वाहक, जैसे उनकी एकाग्रता और गतिशीलता, साथ ही वाहक के जीवनकाल, प्रसार लंबाई और पुनर्संयोजन प्रक्रिया के बारे में अतिरिक्त जानकारी प्राप्त करते हैं।

अधिक विशेष रूप से, एक फोटो-हॉल प्रयोग में, दोनों वाहक चालकता (σ) और हॉल गुणांक (एच, हॉल वोल्टेज और चुंबकीय क्षेत्र के अनुपात के आनुपातिक) में परिवर्तन में योगदान करते हैं। मुख्य अंतर्दृष्टि प्रकाश की तीव्रता के कार्य के रूप में चालकता और हॉल गुणांक को मापने से आती है। चालकता-हॉल गुणांक वक्र (σ-H) के आकार में छिपा हुआ मौलिक रूप से नई जानकारी दिखाता है: दोनों वाहकों की गतिशीलता में अंतर। जैसा कि लेख में चर्चा की गई है, इस रिश्ते को खूबसूरती से व्यक्त किया जा सकता है:

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

अंधेरे में पारंपरिक हॉल माप से ज्ञात बहुसंख्यक वाहक घनत्व से शुरू करके, हम प्रकाश की तीव्रता के कार्य के रूप में बहुसंख्यक और अल्पसंख्यक वाहक गतिशीलता और घनत्व दोनों के लिए प्रकट कर सकते हैं। टीम ने नई माप पद्धति को नाम दिया: कैरियर-रिज़ॉल्व्ड फोटो हॉल (सीआरपीएच)। प्रकाश रोशनी की ज्ञात तीव्रता के साथ, वाहक का जीवनकाल इसी तरह स्थापित किया जा सकता है। हॉल प्रभाव की खोज के बाद से यह संबंध और इसके समाधान लगभग डेढ़ शताब्दी तक छिपे रहे हैं।

इस सैद्धांतिक समझ में प्रगति के अलावा, प्रयोगात्मक तरीकों में प्रगति भी इस नई पद्धति को सक्षम करने के लिए महत्वपूर्ण है। विधि के लिए हॉल सिग्नल के शुद्ध माप की आवश्यकता होती है, जो उन सामग्रियों के लिए मुश्किल हो सकता है जहां हॉल सिग्नल कमजोर है (उदाहरण के लिए, कम गतिशीलता के कारण) या जब अतिरिक्त अवांछित सिग्नल मौजूद होते हैं, जैसे कि मजबूत प्रकाश विकिरण के साथ। ऐसा करने के लिए, एक दोलनशील चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके हॉल माप करना आवश्यक है। जैसे रेडियो सुनते समय, आपको शोर के रूप में कार्य करने वाली अन्य सभी आवृत्तियों को छोड़कर, वांछित स्टेशन की आवृत्ति का चयन करना होगा। सीआरपीएच विधि एक कदम आगे जाती है और सिंक्रोनस सेंसिंग नामक विधि का उपयोग करके न केवल वांछित आवृत्ति बल्कि दोलन चुंबकीय क्षेत्र के चरण का भी चयन करती है। दोलनशील हॉल माप की यह अवधारणा लंबे समय से ज्ञात है, लेकिन दोलनशील चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए विद्युत चुम्बकीय कुंडलियों की एक प्रणाली का उपयोग करने की पारंपरिक विधि अप्रभावी थी।

पिछली खोज

जैसा कि विज्ञान में अक्सर होता है, एक क्षेत्र में प्रगति दूसरे क्षेत्र में खोजों से प्रेरित होती है। 2015 में, आईबीएम रिसर्च ने भौतिकी में एक नए चुंबकीय क्षेत्र कारावास प्रभाव से जुड़ी एक पूर्व अज्ञात घटना की सूचना दी, जिसे "ऊंट कूबड़" प्रभाव कहा जाता है, जो अनुप्रस्थ द्विध्रुवों की दो रेखाओं के बीच तब होता है जब वे एक महत्वपूर्ण लंबाई से अधिक हो जाते हैं, जैसा कि चित्र 2 ए में दिखाया गया है। प्रभाव एक प्रमुख विशेषता है जो एक नए प्रकार के प्राकृतिक चुंबकीय जाल को सक्षम बनाता है जिसे समानांतर द्विध्रुवीय रेखा जाल (पीडीएल जाल) कहा जाता है, जैसा कि चित्र 2बी में दिखाया गया है। चुंबकीय पीडीएल जाल का उपयोग विभिन्न प्रकार के सेंसिंग अनुप्रयोगों जैसे कि टिल्टमीटर, सिस्मोमीटर (भूकंप सेंसर) के लिए एक उपन्यास मंच के रूप में किया जा सकता है। इस तरह के नए सेंसर सिस्टम, बड़े डेटा प्रौद्योगिकियों के साथ मिलकर, कई नए अनुप्रयोगों को खोल सकते हैं, और आईबीएम रिसर्च टीम द्वारा आईबीएम फिजिकल एनालिटिक्स इंटीग्रेटेड रिपोजिटरी सर्विस (पीएआईआरएस) नामक एक बड़ा डेटा एनालिटिक्स प्लेटफॉर्म विकसित करने की खोज की जा रही है, जिसमें भू-स्थानिक का खजाना शामिल है। और इंटरनेट ऑफ थिंग्स डेटा (IoT)।

आश्चर्य की बात है कि उसी पीडीएल तत्व का एक और अनूठा अनुप्रयोग है। घुमाए जाने पर, यह चुंबकीय क्षेत्र का एक यूनिडायरेक्शनल और शुद्ध हार्मोनिक दोलन प्राप्त करने के लिए एक आदर्श फोटो-हॉल प्रयोग प्रणाली के रूप में कार्य करता है (चित्रा 2सी)। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि सिस्टम नमूने के विस्तृत क्षेत्र को रोशन करने के लिए पर्याप्त जगह प्रदान करता है, जो फोटो-हॉल प्रयोगों में महत्वपूर्ण है।

प्रभाव

हमारे द्वारा विकसित की गई नई फोटो-हॉल पद्धति हमें अर्धचालकों से अद्भुत मात्रा में जानकारी निकालने की अनुमति देती है। शास्त्रीय हॉल माप में प्राप्त केवल तीन मापदंडों के विपरीत, यह नई विधि परीक्षण की गई प्रत्येक प्रकाश तीव्रता पर सात पैरामीटर तक उत्पन्न करती है। इसमें इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों दोनों की गतिशीलता शामिल है; प्रकाश के प्रभाव में उनके वाहक की सांद्रता; पुनर्संयोजन जीवनकाल; और इलेक्ट्रॉनों, छिद्रों और उभयध्रुवीय प्रकारों के लिए प्रसार लंबाई। यह सब N बार दोहराया जा सकता है (अर्थात प्रयोग में प्रयुक्त प्रकाश तीव्रता मापदंडों की संख्या)।

यह नई खोज और प्रौद्योगिकी मौजूदा और उभरती दोनों प्रौद्योगिकियों में अर्धचालक प्रगति को आगे बढ़ाने में मदद करेगी। अब हमारे पास अर्धचालक सामग्रियों की भौतिक विशेषताओं को विस्तृत रूप से निकालने के लिए आवश्यक ज्ञान और उपकरण हैं। उदाहरण के लिए, यह अगली पीढ़ी के सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकी के विकास में तेजी लाने में मदद करेगा, जैसे बेहतर सौर पैनल, बेहतर ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण और कृत्रिम बुद्धिमत्ता प्रौद्योगिकियों के लिए नई सामग्री और उपकरण।

मूल लेख 7 अक्टूबर, 2019 को प्रकाशित हुआ आईबीएम रिसर्च ब्लॉग.
अनुवाद: निकोले मैरिन (निकोलेमारिन), रूस और सीआईएस देशों में आईबीएम के मुख्य प्रौद्योगिकी अधिकारी।

स्रोत: www.habr.com