भौतिकशास्त्रमा 140 वर्ष पुरानो रहस्य खोल्दै

IBM अनुसन्धानका लेखकहरूद्वारा लेखको अनुवाद।

भौतिक विज्ञान मा एक महत्वपूर्ण सफलता हामीलाई धेरै विस्तार मा अर्धचालक को भौतिक विशेषताहरु अध्ययन गर्न अनुमति दिनेछ। यसले अर्को पुस्ताको अर्धचालक प्रविधिको विकासलाई गति दिन मद्दत गर्न सक्छ।

लेखकहरू:
ओकी गुणवान - स्टाफ सदस्य, आईबीएम अनुसन्धान
डग बिशप - क्यारेक्टराइजेशन इन्जिनियर, आईबीएम अनुसन्धान

सेमीकन्डक्टरहरू आजको डिजिटल इलेक्ट्रोनिक युगको आधारभूत निर्माण ब्लकहरू हुन्, जसले हामीलाई हाम्रो आधुनिक जीवनलाई फाइदा पुर्‍याउने विभिन्न उपकरणहरू प्रदान गर्दछ, जस्तै कम्प्युटर, स्मार्टफोन र अन्य मोबाइल उपकरणहरू। सेमीकन्डक्टर कार्यक्षमता र कार्यसम्पादनमा सुधारहरूले कम्प्युटिङ, सेन्सिङ, र ऊर्जा रूपान्तरणमा अर्को पुस्ताको अर्धचालक अनुप्रयोगहरूलाई सक्षम बनाउँदैछ। अनुसन्धानकर्ताहरूले लामो समयदेखि अर्धचालक उपकरणहरू र उन्नत अर्धचालक सामग्रीहरू भित्रको इलेक्ट्रोनिक चार्जहरू बुझ्ने हाम्रो क्षमतामा सीमितताहरू पार गर्न संघर्ष गरेका छन् जसले हाम्रो अगाडि बढ्ने क्षमतालाई रोकिरहेको छ।

जर्नलमा नयाँ अध्ययनमा प्रकृति IBM अनुसन्धानको नेतृत्वमा गरिएको अनुसन्धान सहयोगले भौतिक विज्ञानमा 140-वर्ष पुरानो रहस्य समाधान गर्न एक रोमाञ्चक सफलताको वर्णन गर्दछ, जसले हामीलाई अर्धचालकहरूको भौतिक विशेषताहरू धेरै विस्तृत रूपमा अध्ययन गर्न र नयाँ र सुधारिएको अर्धचालक सामग्रीको विकास सक्षम गर्न अनुमति दिनेछ।

सेमीकन्डक्टरहरूको भौतिकीलाई साँच्चै बुझ्नको लागि, हामीले पहिले सामग्री भित्र चार्ज वाहकहरूको आधारभूत गुणहरू बुझ्नुपर्छ, चाहे तिनीहरू नकारात्मक वा सकारात्मक कणहरू हुन्, लागू गरिएको विद्युतीय क्षेत्रमा तिनीहरूको गति, र तिनीहरू सामग्री भित्र कत्तिको घना छन्। भौतिकशास्त्री एडविन हलले 1879 मा यी गुणहरू निर्धारण गर्ने तरिका फेला पारे जब उनले पत्ता लगाए कि चुम्बकीय क्षेत्रले कन्डक्टर भित्र इलेक्ट्रोन चार्जहरूको गतिलाई विचलित गर्दछ, र विक्षेपनको मात्रालाई चार्जको दिशात्मक प्रवाहको लम्बवत सम्भावित भिन्नताको रूपमा मापन गर्न सकिन्छ। कणहरू, चित्र 1a मा देखाइएको रूपमा। हल भोल्टेज भनेर चिनिने यो भोल्टेजले सेमीकन्डक्टरमा चार्ज वाहकहरूको बारेमा महत्त्वपूर्ण जानकारी प्रकट गर्दछ, तिनीहरू ऋणात्मक इलेक्ट्रोनहरू हुन् वा "प्वालहरू" भनिने सकारात्मक अर्धकणहरू, तिनीहरू विद्युतीय क्षेत्रमा कति छिटो सर्छन्, वा तिनीहरूको "गतिशीलता" (µ ), र अर्धचालक भित्र तिनीहरूको एकाग्रता (n)।

140 वर्ष पुरानो रहस्य

हलको खोजको दशक पछि, अन्वेषकहरूले पनि पत्ता लगाए कि उनीहरूले हलको प्रभावलाई प्रकाशको साथ मापन गर्न सक्छन्-प्रयोगहरू फोटो-हल भनिन्छ, चित्र 1b हेर्नुहोस्। त्यस्ता प्रयोगहरूमा, प्रकाश रोशनीले अर्धचालकहरूमा बहु वाहकहरू, वा इलेक्ट्रोन-होल जोडीहरू उत्पन्न गर्दछ। दुर्भाग्यवश, आधारभूत हल प्रभावको हाम्रो बुझाइले बहुमत (वा बहुमत) चार्ज वाहकहरूमा मात्र अन्तरदृष्टि प्रदान गरेको छ। शोधकर्ताहरूले दुबै मिडिया (प्रमुख र गैर-प्रमुख) बाट एकै साथ मापदण्डहरू निकाल्न असमर्थ थिए। यस्तो जानकारी धेरै प्रकाश-सम्बन्धित अनुप्रयोगहरू, जस्तै सौर प्यानल र अन्य अप्टोइलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको लागि महत्वपूर्ण छ।

IBM अनुसन्धान पत्रिका अध्ययन प्रकृति हल प्रभाव को एक लामो-राखिएको रहस्य प्रकट गर्दछ। कोरिया एडभान्स्ड इन्स्टिच्युट अफ साइन्स एन्ड टेक्नोलोजी (KAIST), कोरिया रिसर्च इन्स्टिच्युट अफ केमिकल टेक्नोलोजी (KRICT), ड्यूक युनिभर्सिटी, र IBM का शोधकर्ताहरूले नयाँ सूत्र र प्रविधि पत्ता लगाएका छन् जसले हामीलाई एकै साथ आधारभूत र गैर-आधारभूत जानकारी निकाल्न अनुमति दिन्छ। वाहकहरू, जस्तै तिनीहरूको एकाग्रता र गतिशीलता, साथै वाहकको जीवनकाल, प्रसार लम्बाइ र पुन: संयोजन प्रक्रियाको बारेमा थप जानकारी प्राप्त गर्नुहोस्।

थप विशेष रूपमा, फोटो-हल प्रयोगमा, दुबै वाहकहरूले चालकता (σ) र हल गुणांक (H, चुम्बकीय क्षेत्रमा हल भोल्टेजको अनुपातमा समानुपातिक) मा परिवर्तन गर्न योगदान गर्दछ। मुख्य अन्तरदृष्टिहरू प्रकाश तीव्रताको कार्यको रूपमा चालकता र हल गुणांक मापनबाट आउँछन्। चालकता-हल गुणांक वक्र (σ-H) को आकारमा लुकेको मौलिक रूपमा नयाँ जानकारी देखाउँछ: दुवै वाहकहरूको गतिशीलतामा भिन्नता। लेखमा छलफल गरिए अनुसार, यो सम्बन्ध सुन्दर ढंगले व्यक्त गर्न सकिन्छ:

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

अँध्यारोमा परम्परागत हल मापनबाट ज्ञात बहुमत वाहक घनत्वको साथ सुरु गर्दै, हामी प्रकाश तीव्रताको कार्यको रूपमा बहुसंख्यक र अल्पसंख्यक वाहक गतिशीलता र घनत्व दुवैको लागि प्रकट गर्न सक्छौं। टोलीले नयाँ मापन विधिको नाम राख्यो: क्यारियर-रिजोलभ फोटो हल (CRPH)। प्रकाश रोशनी को एक ज्ञात तीव्रता संग, वाहक को जीवनकाल को समान तरीका मा स्थापित गर्न सकिन्छ। यो जडान र यसको समाधान हल प्रभाव को खोज पछि लगभग एक शताब्दी देखि लुकेको छ।

यस सैद्धान्तिक बुझाइमा भएको प्रगति बाहेक, प्रयोगात्मक विधिहरूमा भएको प्रगति पनि यो नयाँ विधिलाई सक्षम बनाउन महत्त्वपूर्ण छ। विधिलाई हल सिग्नलको शुद्ध मापन चाहिन्छ, जुन हल सिग्नल कमजोर भएका सामग्रीहरूको लागि गाह्रो हुन सक्छ (उदाहरणका लागि, कम गतिशीलताको कारण) वा बलियो प्रकाश विकिरणको रूपमा अतिरिक्त अनावश्यक संकेतहरू उपस्थित हुँदा। यो गर्नको लागि, एक दोलन चुम्बकीय क्षेत्र प्रयोग गरी हल मापन गर्न आवश्यक छ। जस्तै रेडियो सुन्दा, तपाईंले आवाजको रूपमा काम गर्ने अन्य सबै फ्रिक्वेन्सीहरूलाई खारेज गर्दै इच्छित स्टेशनको फ्रिक्वेन्सी चयन गर्न आवश्यक छ। CRPH विधिले एक कदम अगाडी जान्छ र सिंक्रोनस सेन्सिङ भनिने विधि प्रयोग गरेर इच्छित फ्रिक्वेन्सी मात्र होइन तर दोलन चुम्बकीय क्षेत्रको चरण पनि चयन गर्दछ। दोलन हल मापन को यो अवधारणा लामो समय देखि ज्ञात छ, तर एक दोलन चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न गर्न विद्युत चुम्बकीय कुंडल को एक प्रणाली को उपयोग को परम्परागत तरीका अप्रभावी थियो।

अघिल्लो आविष्कार

विज्ञानमा प्रायः जसरी हुन्छ, एउटा क्षेत्रमा भएको प्रगति अर्कोमा आविष्कारद्वारा संचालित हुन्छ। 2015 मा, IBM अनुसन्धानले "क्यामल हम्प" प्रभाव भनिने नयाँ चुम्बकीय क्षेत्र बन्देज प्रभावसँग सम्बन्धित भौतिक विज्ञानमा पहिलेको अज्ञात घटना रिपोर्ट गर्‍यो, जुन चित्र 2a मा देखाइए अनुसार ट्रान्सभर्स डिपोलहरूको दुई रेखाहरू बीचमा हुन्छ। प्रभाव एउटा मुख्य विशेषता हो जसले चित्र 2b मा देखाइए अनुसार समानान्तर द्विध्रुव रेखा जाल (PDL ट्र्याप) भनिने नयाँ प्रकारको प्राकृतिक चुम्बकीय जाललाई सक्षम बनाउँछ। चुम्बकीय PDL जाल टिल्टमिटर, सिस्मोमिटर (भूकम्प सेन्सर) जस्ता विभिन्न सेन्सिङ अनुप्रयोगहरूको लागि उपन्यास प्लेटफर्मको रूपमा प्रयोग गर्न सकिन्छ। यस्ता नयाँ सेन्सर प्रणालीहरू, ठूला डाटा टेक्नोलोजीहरूसँग मिलेर, धेरै नयाँ अनुप्रयोगहरू खोल्न सक्छन्, र IBM अनुसन्धान टोलीले IBM भौतिक विश्लेषण एकीकृत भण्डार सेवा (PAIRS) नामक ठूलो डाटा एनालिटिक्स प्लेटफर्मको विकास गर्दैछ, जसमा भू-स्थानिकको सम्पत्ति समावेश छ। र इन्टरनेट अफ थिंग्स डेटा। (IoT)।

अचम्मको कुरा, उही PDL तत्व अर्को अद्वितीय अनुप्रयोग छ। घुमाउँदा, यो चुम्बकीय क्षेत्र (चित्र 2c) को एक दिशाहीन र शुद्ध हार्मोनिक दोलन प्राप्त गर्न एक आदर्श फोटो-हल प्रयोग प्रणालीको रूपमा कार्य गर्दछ। अझ महत्त्वपूर्ण कुरा, प्रणालीले नमूनाको विस्तृत क्षेत्रको रोशनीलाई अनुमति दिन पर्याप्त ठाउँ प्रदान गर्दछ, जुन फोटो-हल प्रयोगहरूमा महत्त्वपूर्ण छ।

प्रभाव

हामीले विकास गरेका नयाँ फोटो-हल विधिले हामीलाई अर्धचालकहरूबाट जानकारीको अचम्मको मात्रा निकाल्न अनुमति दिन्छ। क्लासिकल हल मापनमा प्राप्त तीनवटा प्यारामिटरहरूको विपरित, यो नयाँ विधिले परीक्षण गरिएको प्रत्येक प्रकाश तीव्रतामा सात प्यारामिटरहरू उत्पादन गर्दछ। यसले इलेक्ट्रोन र प्वाल दुवैको गतिशीलता समावेश गर्दछ; प्रकाश को प्रभाव अन्तर्गत आफ्नो वाहक को एकाग्रता; पुनर्संयोजन जीवनकाल; र इलेक्ट्रोन, प्वाल र एम्बिपोलर प्रकारका लागि प्रसार लम्बाइ। यो सबै N पटक दोहोर्याउन सकिन्छ (अर्थात् प्रयोगमा प्रयोग गरिएको प्रकाश तीव्रता प्यारामिटरहरूको संख्या)।

यो नयाँ आविष्कार र प्रविधिले दुवै अवस्थित र उदीयमान प्रविधिहरूमा सेमीकन्डक्टरको उन्नति गर्न मद्दत गर्नेछ। अब हामीसँग सेमीकन्डक्टर सामग्रीको भौतिक विशेषताहरू विस्तृत रूपमा निकाल्न आवश्यक ज्ञान र उपकरणहरू छन्। उदाहरणका लागि, यसले अर्को पुस्ताको सेमीकन्डक्टर टेक्नोलोजी, जस्तै राम्रो सोलार प्यानल, राम्रो अप्टोइलेक्ट्रोनिक उपकरणहरू, र आर्टिफिसियल इन्टेलिजेन्स टेक्नोलोजीहरूको लागि नयाँ सामग्री र उपकरणहरूको विकासलाई गति दिन मद्दत गर्नेछ।

मूल लेख अक्टोबर 7, 2019 मा प्रकाशित IBM अनुसन्धान ब्लग.
अनुवाद: निकोले मारिन (निकोलेमारिन), रूस र CIS देशहरूमा आईबीएम प्रमुख प्रविधि अधिकारी।

स्रोत: www.habr.com