भौतिकी में एक 140 साल पुराने रहस्य का खुलासा

आईबीएम रिसर्च के एक लेख का अनुवाद।

भौतिकी में एक महत्वपूर्ण सफलता हमें अर्धचालकों की भौतिक विशेषताओं का अधिक विस्तार से अध्ययन करने की अनुमति देगी। शायद यह अगली पीढ़ी के अर्धचालक प्रौद्योगिकी के विकास में तेजी लाने में मदद करेगा।

लेखक:
ओकी गुनवान - स्टाफ सदस्य, आईबीएम रिसर्च
डग बिशप - चरित्र अभियंता, आईबीएम रिसर्च

अर्धचालक आज के डिजिटल, इलेक्ट्रॉनिक युग के मुख्य भवन खंड हैं, जो हमें विभिन्न प्रकार के उपकरण प्रदान करते हैं, जो हमारे आधुनिक जीवन को लाभान्वित करते हैं, जैसे कि कंप्यूटर, स्मार्टफोन और अन्य मोबाइल डिवाइस। अर्धचालकों की कार्यक्षमता और प्रदर्शन में सुधार, अर्धचालकों की अगली पीढ़ी को कंप्यूटिंग ऊर्जा को पहचानने और बदलने के लिए उपयोग करने में सक्षम बनाता है। शोधकर्ताओं ने अर्धचालक उपकरणों और उन्नत अर्धचालक सामग्रियों के अंदर इलेक्ट्रॉनिक शुल्क को पूरी तरह से समझने की हमारी क्षमता की सीमाओं को पार करने के लिए लंबे समय से संघर्ष किया है जो आगे बढ़ने की हमारी क्षमता को वापस पकड़ते हैं।

जर्नल नेचर में एक नए अध्ययन में , आईबीएम रिसर्च के नेतृत्व में एक शोध सह-लेखक ने भौतिकी में एक 140 साल पुराने रहस्य को उजागर करने में एक रोमांचक सफलता का वर्णन किया है, जो हमें अर्धचालकों की भौतिक विशेषताओं का बहुत अधिक विस्तार से अध्ययन करने और नए और बेहतर अर्धचालक सामग्रियों के विकास को सक्षम करने की अनुमति देगा।

अर्धचालकों के भौतिकी को समझने के लिए, हमें पहले सामग्री के अंदर आवेश वाहकों के मूलभूत गुणों को समझना चाहिए, चाहे वे नकारात्मक या सकारात्मक कण हों, एक लागू विद्युत क्षेत्र में उनकी गति और वे सामग्री में कितने घनीभूत हों। भौतिक विज्ञानी एडविन हॉल ने 1879 में इन गुणों को निर्धारित करने का एक तरीका खोजा, जब उन्होंने पाया कि एक चुंबकीय क्षेत्र एक चालक के अंदर इलेक्ट्रॉनिक आवेशों की गति को बाधित करेगा, और यह कि विक्षेपित कणों के निर्देशित प्रवाह के लिए संभावित अंतर के रूप में मापा जा सकता है, जैसा कि चित्र 1 ए में दिखाया गया है। यह वोल्टेज, जिसे हॉल वोल्टेज के रूप में जाना जाता है, एक अर्धचालक में आवेश वाहकों के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रकट करता है, जिसमें यह भी शामिल है कि क्या वे नकारात्मक इलेक्ट्रॉन या पॉजिटिव क्सीपार्टिकल्स हैं, जिन्हें "छेद" कहा जाता है, वे एक विद्युत क्षेत्र में कितनी तेजी से चलते हैं, या उनकी "गतिशीलता" (the) , और अर्धचालक के अंदर उनकी एकाग्रता (एन)।

140 साल का रहस्य

हॉल की खोज के बाद के फैसले, शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि वे प्रकाश के साथ हॉल प्रभाव को माप सकते हैं - फोटो हॉल नामक प्रयोग, चित्र 1 बी देखें। इस तरह के प्रयोगों में, प्रकाश रोशनी अर्धचालक में कई वाहक या इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े उत्पन्न करती है। दुर्भाग्य से, मुख्य हॉल प्रभाव की हमारी समझ ने केवल मुख्य प्रभार वाहक (या बहुसंख्य वाहक) में अंतर्दृष्टि प्रदान की। शोधकर्ता एक ही समय में दोनों वाहक (प्राथमिक और माध्यमिक) के मापदंडों को निकालने में असमर्थ थे। इस तरह की जानकारी कई प्रकाश-संबंधित अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है, जैसे कि सौर पैनल और अन्य ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक डिवाइस।

जर्नल नेचर में आईबीएम रिसर्च के एक अध्ययन में हॉल प्रभाव के लंबे समय से आयोजित रहस्यों में से एक का खुलासा किया गया है। कोरिया एडवांस्ड इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (केएआईएसटी), कोरिया रिसर्च इंस्टीट्यूट ऑफ केमिकल टेक्नोलॉजी (केआरआईसीटी), ड्यूक विश्वविद्यालय और आईबीएम के शोधकर्ताओं ने एक नया फार्मूला और तकनीक खोजी है जो हमें एक साथ मुख्य और गैर-बुनियादी समर्थन के बारे में जानकारी निकालने की अनुमति देता है, जैसे कि उनकी एकाग्रता और गतिशीलता, साथ ही साथ वाहक की अवधि, प्रसार लंबाई और पुनर्संयोजन प्रक्रिया के बारे में अतिरिक्त जानकारी प्राप्त करते हैं।

विशेष रूप से, एक फोटो-हॉल प्रयोग में, दोनों वाहक चालकता (photo) और हॉल गुणांक में परिवर्तन करने में योगदान देते हैं (एच, चुंबकीय क्षेत्र के लिए हॉल वोल्टेज के अनुपात के लिए)। प्रकाश की तीव्रता के कार्य के रूप में चालकता और हॉल गुणांक को मापने से महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि आती हैं। चालकता वक्र के रूप में छिपा हुआ, हॉल गुणांक (H-H) मौलिक रूप से नई जानकारी दिखाता है: दोनों वाहकों की गतिशीलता में अंतर। जैसा कि लेख में चर्चा की गई है, इस संबंध को सुरुचिपूर्ण ढंग से व्यक्त किया जा सकता है:

$$$ $ प्रदर्शन $ $ Δµ = d (displayH) / d$ $ $ प्रदर्शन $ $

अंधेरे में अधिकांश पारंपरिक हॉल माप के ज्ञात वाहक घनत्व के साथ शुरू करके, हम बहुसंख्यक और अल्पसंख्यक दोनों के लिए प्रकाश की तीव्रता के कार्य के रूप में वाहक की गतिशीलता और घनत्व को प्रकट कर सकते हैं। टीम ने नई माप विधि कहा: कैरियर-रिज़ॉल्यूशन फोटो हॉल (CRPH), जो वाहक द्वारा अनुमति दी गई थी। प्रकाश रोशनी की ज्ञात तीव्रता के साथ, वाहक का जीवनकाल एक समान तरीके से निर्धारित किया जा सकता है। यह संबंध और संबंधित निर्णय हॉल प्रभाव की खोज के बाद से लगभग डेढ़ सदी से छिपे हुए हैं।

इस सैद्धांतिक समझ में आगे बढ़ने के अलावा, इस नई पद्धति को प्रदान करने के लिए प्रायोगिक तरीकों में प्रगति भी महत्वपूर्ण है। विधि को हॉल सिग्नल की एक साफ माप की आवश्यकता होती है, जो उन सामग्रियों के लिए मुश्किल हो सकती है जहां हॉल सिग्नल कमजोर है (उदाहरण के लिए, कम गतिशीलता के कारण) या जब अतिरिक्त अवांछित संकेत मौजूद होते हैं, जैसे कि मजबूत प्रकाश जोखिम के साथ। इसके लिए, एक ओसीलेटिंग चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके हॉल माप करना आवश्यक है। रेडियो सुनने के साथ, आपको वांछित स्टेशन की आवृत्ति का चयन करना चाहिए, अन्य सभी आवृत्तियों को त्यागना चाहिए जो शोर के रूप में कार्य करते हैं। CRPH विधि एक कदम आगे ले जाती है, और न केवल वांछित आवृत्ति का चयन करती है, बल्कि समकालिक निर्धारण नामक विधि के अनुसार चुंबकीय क्षेत्र के दोलन का चरण भी होता है। एक दोलन हॉल माप की यह अवधारणा लंबे समय से ज्ञात है, लेकिन एक दोलन चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए विद्युत चुम्बकीय कॉइल्स की एक प्रणाली का उपयोग करने वाली पारंपरिक विधि अप्रभावी थी।

पिछला उद्घाटन

जैसा कि अक्सर विज्ञान में होता है, एक क्षेत्र में उन्नति दूसरे में खोजों के कारण होती है। 2015 में, आईबीएम रिसर्च ने "ऊंट कूबड़" प्रभाव नामक एक नए चुंबकीय क्षेत्र प्रभाव से संबंधित भौतिकी में एक पूर्व अज्ञात घटना की घोषणा की, जो कि एक महत्वपूर्ण लंबाई से अधिक होने पर अनुप्रस्थ द्विध्रुव की दो पंक्तियों के बीच होती है, जैसा कि चित्र 2a में दिखाया गया है। प्रभाव एक प्रमुख विशेषता है जो एक नया प्रकार का प्राकृतिक चुंबकीय जाल प्रदान करता है जिसे समानांतर द्विध्रुवीय रेखा जाल (पीडीएल जाल) कहा जाता है, जैसा कि चित्र 2 बी में दिखाया गया है। पीडीएल चुंबकीय जाल को विभिन्न प्रकार के संवेदी अनुप्रयोगों के लिए नवीनतम प्लेटफॉर्म के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, जैसे कि टिल्टमीटर, सीस्मोमीटर (भूकंप सेंसर)। इसी तरह के नए सेंसर सिस्टम, बड़ी डेटा तकनीकों के साथ, कई नए एप्लिकेशन खोल सकते हैं, और आईबीएम रिसर्च टीम द्वारा अध्ययन किया जा रहा है, जो आईबीएम फिजिकल एनालिटिक्स इंटीग्रेटेड रिपॉजिटरी सर्विस (पीएआईआरएस) नामक एक बड़ा डेटा एनालिटिक्स प्लेटफ़ॉर्म विकसित कर रहा है, जिसमें बहुत सारे भू-स्थानिक डेटा और इंटरनेट ऑफ़ थिंग्स शामिल हैं। (IOT)।

हैरानी की बात है, एक ही पीडीएल तत्व का एक और अनूठा उपयोग है। जब यह घूमता है, तो यह चुंबकीय क्षेत्र (चित्रा 2c) के यूनिडायरेक्शनल और शुद्ध हार्मोनिक दोलनों को प्राप्त करने के लिए एक फोटो-हॉल प्रयोग के लिए एक आदर्श प्रणाली के रूप में कार्य करता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि प्रणाली नमूने के एक बड़े क्षेत्र की रोशनी की अनुमति देने के लिए पर्याप्त स्थान प्रदान करती है, जो फोटो-हॉल प्रयोगों में महत्वपूर्ण है।

प्रभाव

फोटो हॉल के लिए विकसित नई विधि हमें अर्धचालकों से आश्चर्यजनक मात्रा में जानकारी निकालने की अनुमति देती है। शास्त्रीय हॉल माप में प्राप्त केवल तीन मापदंडों के विपरीत, यह नई विधि प्रत्येक परीक्षण किए गए प्रकाश तीव्रता के लिए सात मापदंडों तक लाती है। इसमें इलेक्ट्रॉन और छेद दोनों की गतिशीलता शामिल है; प्रकाश के प्रभाव में उनके वाहक की एकाग्रता; पुनर्संयोजन जीवनकाल; और इलेक्ट्रॉनों, छिद्रों और एंबिपोलर प्रकार के लिए प्रसार लंबाई। यह सब एन बार दोहराया जा सकता है (यानी, प्रयोग में उपयोग किए जाने वाले प्रकाश की तीव्रता के मापदंडों की संख्या)।

यह नई खोज और प्रौद्योगिकी मौजूदा और उभरती हुई प्रौद्योगिकियों दोनों में अग्रिम अर्धचालक अग्रिमों में मदद करेगी। अब हमारे पास सेमीकंडक्टर सामग्रियों की भौतिक विशेषताओं को बहुत विस्तार के साथ 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 कि सर्वश्रेष्ठ सौर पैनल, सर्वश्रेष्ठ ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक डिवाइस और कृत्रिम बुद्धि प्रौद्योगिकियों के लिए नई सामग्री और उपकरण।

मूल लेख आईबीएम रिसर्च ब्लॉग पर 7 अक्टूबर, 2019 को प्रकाशित किया गया था।
अनुवाद: निकोले मारिन , रूस में मुख्य प्रौद्योगिकी अधिकारी आईबीएम और सीआईएस।