सिलिकॉन ने लघुकरण के माध्यम से अर्धचालक प्रौद्योगिकी में प्रगति को सक्षम किया है, लेकिन स्केलिंग चुनौतियों के लिए नई सामग्रियों की खोज की आवश्यकता है। दो-आयामी (2D) सामग्री, उनकी परमाणु मोटाई और उच्च वाहक गतिशीलता के साथ, एक आशाजनक विकल्प प्रदान करती है। दुनिया में पहली बार, पेन स्टेट के शोधकर्ताओं ने सरल संचालन करने में सक्षम कंप्यूटर विकसित करने के लिए 2D सामग्रियों का उपयोग किया।
पेन स्टेट के प्रोफेसर सप्तर्षि दास ने कहा, “सिलिकॉन ने फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (एफईटी) के निरंतर लघुकरण को सक्षम करके दशकों से इलेक्ट्रॉनिक्स में उल्लेखनीय प्रगति की है।”
“एफईटी विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके विद्युत प्रवाह को नियंत्रित करते हैं, जो वोल्टेज लागू होने पर उत्पन्न होता है।”
“हालांकि, जैसे-जैसे सिलिकॉन उपकरण सिकुड़ते जाते हैं, उनका प्रदर्शन कम होने लगता है।”
“इसके विपरीत, द्वि-आयामी पदार्थ परमाणु मोटाई पर अपने असाधारण इलेक्ट्रॉनिक गुणों को बनाए रखते हैं, जो आगे बढ़ने का एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।”
अपने पूरक धातु-ऑक्साइड अर्धचालक (CMOS) कंप्यूटर में, प्रोफेसर दास और उनके सहकर्मियों ने विद्युत धारा प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक दोनों प्रकार के ट्रांजिस्टर विकसित करने के लिए दो अलग-अलग 2D सामग्रियों का उपयोग किया: n-प्रकार ट्रांजिस्टर के लिए मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड और p-प्रकार ट्रांजिस्टर के लिए टंगस्टन डाइसेलेनाइड।
प्रोफेसर दास ने कहा, “सीएमओएस प्रौद्योगिकी के लिए कम बिजली खपत पर उच्च प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए एन-टाइप और पी-टाइप दोनों अर्धचालकों को एक साथ काम करने की आवश्यकता होती है – यह एक प्रमुख चुनौती है जिसने सिलिकॉन से आगे बढ़ने के प्रयासों को बाधित किया है।”
“हालांकि पिछले अध्ययनों ने 2D सामग्रियों पर आधारित छोटे सर्किटों का प्रदर्शन किया था, लेकिन जटिल, कार्यात्मक कंप्यूटरों तक पहुंचना अभी भी कठिन था।”
“यह हमारे काम की मुख्य प्रगति है। हमने पहली बार एक CMOS कंप्यूटर का प्रदर्शन किया है जो पूरी तरह से 2D सामग्रियों से बना है, जिसमें बड़े क्षेत्र में उगाए गए मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड और टंगस्टन डाइसेलेनाइड ट्रांजिस्टर का संयोजन किया गया है।”
शोधकर्ताओं ने धातु-कार्बनिक रासायनिक वाष्प निक्षेपण (एमओसीवीडी) का उपयोग किया – एक निर्माण प्रक्रिया जिसमें अवयवों को वाष्पीकृत करना, रासायनिक प्रतिक्रिया को मजबूर करना और उत्पादों को एक सब्सट्रेट पर जमा करना शामिल है – मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड और टंगस्टन डाइसेलेनाइड की बड़ी चादरें विकसित करने और प्रत्येक प्रकार के 1,000 से अधिक ट्रांजिस्टर बनाने के लिए।
उपकरण निर्माण और पोस्ट-प्रोसेसिंग चरणों को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे n- और p-प्रकार ट्रांजिस्टर दोनों के थ्रेशोल्ड वोल्टेज को समायोजित करने में सक्षम हुए, जिससे पूर्ण कार्यात्मक CMOS लॉजिक सर्किट का निर्माण संभव हो सका।
पेन स्टेट के डॉक्टरेट छात्र सुबीर घोष ने कहा, “हमारा 2डी सीएमओएस कंप्यूटर न्यूनतम बिजली खपत के साथ कम आपूर्ति वोल्टेज पर काम करता है और 25 किलोहर्ट्ज तक की आवृत्तियों पर सरल तर्क संचालन कर सकता है।”
“पारंपरिक सिलिकॉन CMOS सर्किट की तुलना में इसकी ऑपरेटिंग आवृत्ति कम है, लेकिन हमारा कंप्यूटर – जिसे एक निर्देश सेट कंप्यूटर के रूप में जाना जाता है – अभी भी सरल तर्क संचालन कर सकता है।”
“हमने एक कम्प्यूटेशनल मॉडल भी विकसित किया है, जिसे प्रयोगात्मक डेटा का उपयोग करके कैलिब्रेट किया गया है और उपकरणों के बीच विविधताओं को शामिल किया गया है, ताकि हमारे 2D CMOS कंप्यूटर के प्रदर्शन को प्रोजेक्ट किया जा सके और इसे अत्याधुनिक सिलिकॉन प्रौद्योगिकी के खिलाफ बेंचमार्क किया जा सके।”
“हालांकि इसमें और अधिक अनुकूलन की गुंजाइश बनी हुई है, फिर भी यह कार्य इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में प्रगति के लिए 2D सामग्रियों के उपयोग में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है।”
टीम का कार्य इस महीने नेचर जर्नल में प्रकाशित हुआ ।
