भौतिकशास्त्रातील 140 वर्षे जुने रहस्य उलगडत आहे

IBM रिसर्चच्या लेखकांच्या लेखाचे भाषांतर.

भौतिकशास्त्रातील एक महत्त्वपूर्ण प्रगती आपल्याला अर्धसंवाहकांच्या भौतिक वैशिष्ट्यांचा अधिक तपशीलवार अभ्यास करण्यास अनुमती देईल. हे पुढील पिढीतील सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानाच्या विकासास गती देण्यास मदत करू शकते.

लेखक:
ओकी गुणवान - कर्मचारी सदस्य, IBM संशोधन
डग बिशप - चारित्र्य अभियंता, IBM संशोधन

सेमीकंडक्टर्स हे आजच्या डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक युगातील मूलभूत बिल्डिंग ब्लॉक्स आहेत, जे आम्हाला विविध उपकरणे प्रदान करतात ज्यामुळे आमच्या आधुनिक जीवनाचा फायदा होतो, जसे की संगणक, स्मार्टफोन आणि इतर मोबाइल उपकरणे. सेमीकंडक्टर कार्यक्षमता आणि कार्यक्षमतेतील सुधारणा पुढील पिढीतील सेमीकंडक्टर ऍप्लिकेशन्स कॉम्प्युटिंग, सेन्सिंग आणि ऊर्जा रूपांतरणामध्ये सक्षम करत आहेत. सेमीकंडक्टर उपकरणांमधील इलेक्ट्रॉनिक चार्जेस आणि प्रगत सेमीकंडक्टर मटेरियल जे पुढे जाण्याची आमची क्षमता रोखत आहेत ते पूर्णपणे समजून घेण्याच्या आमच्या क्षमतेमधील मर्यादांवर मात करण्यासाठी संशोधकांनी दीर्घकाळ संघर्ष केला आहे.

जर्नलमधील एका नवीन अभ्यासात निसर्ग IBM रिसर्चच्या नेतृत्वाखालील संशोधन सहकार्याने भौतिकशास्त्रातील 140 वर्षे जुने गूढ सोडवण्याच्या एका रोमांचक यशाचे वर्णन केले आहे, जे आम्हाला अर्धसंवाहकांच्या भौतिक वैशिष्ट्यांचा अधिक तपशीलवार अभ्यास करण्यास आणि नवीन आणि सुधारित सेमीकंडक्टर सामग्रीचा विकास सक्षम करण्यास अनुमती देईल.

सेमीकंडक्टर्सचे भौतिकशास्त्र खरोखर समजून घेण्यासाठी, आपण प्रथम सामग्रीमधील चार्ज वाहकांचे मूलभूत गुणधर्म समजून घेतले पाहिजेत, मग ते नकारात्मक किंवा सकारात्मक कण आहेत, लागू केलेल्या विद्युत क्षेत्रामध्ये त्यांचा वेग आणि ते सामग्रीमध्ये किती घनतेने पॅक केलेले आहेत. भौतिकशास्त्रज्ञ एडविन हॉल यांनी १८७९ मध्ये हे गुणधर्म निश्चित करण्याचा मार्ग शोधून काढला जेव्हा त्यांनी शोधून काढले की चुंबकीय क्षेत्र कंडक्टरमधील इलेक्ट्रॉन चार्जच्या हालचालींना विचलित करते आणि विक्षेपणाचे प्रमाण चार्जच्या दिशात्मक प्रवाहाच्या लंबवत संभाव्य फरक म्हणून मोजले जाऊ शकते. आकृती 1879a मध्ये दाखवल्याप्रमाणे कण. हा व्होल्टेज, ज्याला हॉल व्होल्टेज म्हणून ओळखले जाते, सेमीकंडक्टरमधील चार्ज वाहकांबद्दल महत्त्वपूर्ण माहिती प्रकट करते, ज्यात ते ऋण इलेक्ट्रॉन आहेत किंवा "छिद्र" नावाचे सकारात्मक क्वासीपार्टिकल्स आहेत का, ते विद्युत क्षेत्रात किती वेगाने फिरतात किंवा त्यांची "गतिशीलता" (µ ) , आणि त्यांची एकाग्रता (n) सेमीकंडक्टरच्या आत.

140 वर्षे जुने रहस्य

हॉलच्या शोधानंतर अनेक दशकांनंतर, संशोधकांनी हे देखील शोधून काढले की ते प्रकाशासह हॉल प्रभावाचे मोजमाप करू शकतात - फोटो-हॉल नावाचे प्रयोग, आकृती 1b पहा. अशा प्रयोगांमध्ये, प्रकाश प्रदीपन अर्धसंवाहकांमध्ये अनेक वाहक किंवा इलेक्ट्रॉन-होल जोड्या तयार करतात. दुर्दैवाने, मूळ हॉल इफेक्टबद्दलच्या आमच्या समजामुळे केवळ बहुसंख्य (किंवा बहुसंख्य) चार्ज वाहकांमध्ये अंतर्दृष्टी आहे. संशोधक दोन्ही माध्यमांमधून (मुख्य आणि नॉन-मेजर) एकाच वेळी मापदंड काढू शकले नाहीत. अशी माहिती सौर पॅनेल आणि इतर ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसारख्या अनेक प्रकाश-संबंधित अनुप्रयोगांसाठी महत्त्वाची आहे.

IBM संशोधन मासिक अभ्यास निसर्ग हॉल इफेक्टचे दीर्घकाळ ठेवलेले एक रहस्य प्रकट करते. कोरिया अॅडव्हान्स्ड इन्स्टिट्यूट ऑफ सायन्स अँड टेक्नॉलॉजी (KAIST), कोरिया रिसर्च इन्स्टिट्यूट ऑफ केमिकल टेक्नॉलॉजी (KRICT), ड्यूक युनिव्हर्सिटी आणि IBM मधील संशोधकांनी एक नवीन सूत्र आणि तंत्र शोधले आहे जे आपल्याला एकाच वेळी मूलभूत आणि गैर-मूलभूत माहिती काढण्याची परवानगी देते. वाहक, जसे की त्यांची एकाग्रता आणि गतिशीलता, तसेच वाहकाचे आयुष्य, प्रसार लांबी आणि पुनर्संयोजन प्रक्रियेबद्दल अतिरिक्त माहिती प्राप्त करतात.

अधिक विशिष्टपणे, फोटो-हॉल प्रयोगात, दोन्ही वाहक चालकता (σ) आणि हॉल गुणांक (H, चुंबकीय क्षेत्राच्या हॉल व्होल्टेजच्या गुणोत्तराच्या प्रमाणात) मध्ये बदल करण्यास योगदान देतात. मुख्य अंतर्दृष्टी प्रकाश तीव्रतेचे कार्य म्हणून चालकता आणि हॉल गुणांक मोजण्यापासून प्राप्त होते. चालकता-हॉल गुणांक वक्र (σ-H) च्या आकारात लपलेले मूलभूतपणे नवीन माहिती दर्शवते: दोन्ही वाहकांच्या गतिशीलतेतील फरक. लेखात चर्चा केल्याप्रमाणे, हे नाते सुरेखपणे व्यक्त केले जाऊ शकते:

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

अंधारात पारंपारिक हॉल मापनापासून ज्ञात बहुसंख्य वाहक घनतेसह प्रारंभ करून, आम्ही बहुसंख्य आणि अल्पसंख्याक वाहक गतिशीलता आणि घनता प्रकाश तीव्रतेचे कार्य म्हणून प्रकट करू शकतो. टीमने नवीन मापन पद्धती असे नाव दिले: कॅरियर-रिझोल्व्ह्ड फोटो हॉल (CRPH). प्रकाशाच्या प्रदीपनच्या ज्ञात तीव्रतेसह, वाहकाचे आयुष्य त्याच प्रकारे स्थापित केले जाऊ शकते. हॉल इफेक्टचा शोध लागल्यापासून हे कनेक्शन आणि त्याचे उपाय जवळजवळ दीड शतकांपासून लपलेले आहेत.

या सैद्धांतिक समजातील प्रगती व्यतिरिक्त, ही नवीन पद्धत सक्षम करण्यासाठी प्रायोगिक पद्धतींमधील प्रगती देखील महत्त्वपूर्ण आहे. या पद्धतीसाठी हॉल सिग्नलचे शुद्ध मोजमाप आवश्यक आहे, ज्या सामग्रीसाठी हॉल सिग्नल कमकुवत आहे (उदाहरणार्थ, कमी गतिशीलतेमुळे) किंवा जेव्हा अतिरिक्त अवांछित सिग्नल उपस्थित असतात, जसे की तीव्र प्रकाश विकिरणाने कठीण असते. हे करण्यासाठी, दोलन चुंबकीय क्षेत्र वापरून हॉल मापन करणे आवश्यक आहे. जसे की रेडिओ ऐकताना, आपल्याला इच्छित स्टेशनची वारंवारता निवडणे आवश्यक आहे, इतर सर्व फ्रिक्वेन्सी काढून टाकून जे आवाज म्हणून कार्य करतात. CRPH पद्धत एक पाऊल पुढे जाते आणि सिंक्रोनस सेन्सिंग नावाच्या पद्धतीचा वापर करून केवळ इच्छित वारंवारताच नाही तर दोलन चुंबकीय क्षेत्राचा टप्पा देखील निवडते. दोलन हॉल मापनाची ही संकल्पना फार पूर्वीपासून ज्ञात आहे, परंतु दोलन चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करण्यासाठी इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक कॉइलची प्रणाली वापरण्याची पारंपारिक पद्धत कुचकामी होती.

मागील शोध

विज्ञानात जसे अनेकदा घडते, एका क्षेत्रातील प्रगती दुसर्‍या क्षेत्रातील शोधांमुळे होते. 2015 मध्ये, IBM रिसर्चने "उंट कुबड" प्रभाव नावाच्या नवीन चुंबकीय क्षेत्र बंदिस्त प्रभावाशी संबंधित भौतिकशास्त्रातील पूर्वीची अज्ञात घटना नोंदवली, जी आकृती 2a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, ट्रान्सव्हर्स द्विध्रुवांच्या दोन ओळींच्या दरम्यान उद्भवते जेव्हा ते गंभीर लांबी ओलांडतात. आकृती 2b मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, समांतर द्विध्रुवीय रेखा सापळा (PDL ट्रॅप) नावाचा नवीन प्रकारचा नैसर्गिक चुंबकीय सापळा सक्षम करणारा प्रभाव हे मुख्य वैशिष्ट्य आहे. चुंबकीय PDL ट्रॅपचा उपयोग टिल्टमीटर, सिस्मोमीटर (भूकंप सेन्सर) यांसारख्या विविध संवेदनांसाठी एक नवीन व्यासपीठ म्हणून केला जाऊ शकतो. अशा नवीन सेन्सर प्रणाली, मोठ्या डेटा तंत्रज्ञानासह, अनेक नवीन ऍप्लिकेशन्स उघडू शकतात आणि IBM रिसर्च टीमने IBM फिजिकल अॅनालिटिक्स इंटिग्रेटेड रिपॉझिटरी सर्व्हिस (PAIRS) नावाचा एक मोठा डेटा अॅनालिटिक्स प्लॅटफॉर्म विकसित केला आहे, ज्यामध्ये भू-स्थानिकांचा मोठा समावेश आहे. आणि इंटरनेट ऑफ थिंग्ज डेटा (IoT).

आश्चर्याची गोष्ट म्हणजे, त्याच PDL घटकामध्ये आणखी एक अद्वितीय अनुप्रयोग आहे. फिरवल्यावर, चुंबकीय क्षेत्राचे दिशाहीन आणि शुद्ध हार्मोनिक दोलन प्राप्त करण्यासाठी ते एक आदर्श फोटो-हॉल प्रयोग प्रणाली म्हणून काम करते (आकृती 2c). अधिक महत्त्वाचे म्हणजे, प्रणाली नमुन्याच्या विस्तृत क्षेत्रास प्रकाशमान करण्यास परवानगी देण्यासाठी पुरेशी जागा प्रदान करते, जी फोटो-हॉल प्रयोगांमध्ये महत्त्वपूर्ण आहे.

प्रभाव

आम्ही विकसित केलेली नवीन फोटो-हॉल पद्धत आम्हाला सेमीकंडक्टरमधून आश्चर्यकारक माहिती काढण्याची परवानगी देते. शास्त्रीय हॉल मापनात मिळवलेल्या केवळ तीन पॅरामीटर्सच्या विरूद्ध, ही नवीन पद्धत चाचणी केलेल्या प्रत्येक प्रकाशाच्या तीव्रतेवर सात पॅरामीटर्सपर्यंत उत्पन्न देते. यात इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र दोन्हीची गतिशीलता समाविष्ट आहे; प्रकाशाच्या प्रभावाखाली त्यांच्या वाहकांची एकाग्रता; पुनर्संयोजन आजीवन; आणि इलेक्ट्रॉन, छिद्र आणि एम्बीपोलर प्रकारांसाठी प्रसार लांबी. हे सर्व N वेळा पुनरावृत्ती होऊ शकते (म्हणजे प्रयोगात वापरल्या जाणार्‍या प्रकाश तीव्रतेच्या मापदंडांची संख्या).

हा नवीन शोध आणि तंत्रज्ञान विद्यमान आणि उदयोन्मुख दोन्ही तंत्रज्ञानामध्ये अर्धसंवाहक प्रगतीस मदत करेल. आमच्याकडे आता सेमीकंडक्टर मटेरियलचे भौतिक गुणधर्म अतिशय तपशीलवारपणे काढण्यासाठी आवश्यक ज्ञान आणि साधने आहेत. उदाहरणार्थ, ते पुढील पिढीतील सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानाच्या विकासाला गती देण्यास मदत करेल, जसे की चांगले सौर पॅनेल, उत्तम ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणे आणि कृत्रिम बुद्धिमत्ता तंत्रज्ञानासाठी नवीन साहित्य आणि उपकरणे.

मूळ 7 ऑक्टोबर 2019 रोजी प्रकाशित झालेला लेख IBM संशोधन ब्लॉग.
भाषांतरः निकोले मारिन (निकोलेमारिन), रशिया आणि CIS देशांमध्ये मुख्य तंत्रज्ञान अधिकारी IBM.

स्त्रोत: www.habr.com