क्या ऑर्गेनिक अर्धचालक ग्राफीन और सिलिकॉन के लाभों को मिलाकर काम कर सकते हैं?

ग्राफीन के अर्धचालक की चूकी हुई संभावनाएँ

Graphene has long been considered aचमत्कारिक सामग्री, जिसमें असाधारण विशेषताएँ हैं that may play a role in next-gen semiconductors. Its perception as a miracle material is multipronged due to its physical characteristics, as it is 200x stronger than steel, and its electron mobility is 140x faster in graphene than in silicon.

स्रोत: Visual Capitalist

शुरुआत में, ग्राफीन का अध्ययन करने वाले शोधकर्ताओं ने सोचा कि यह अर्धचालकों में सिलिकॉन की जगह ले सकता है। दुर्भाग्यवश, इसमें एक महत्वपूर्ण इलेक्ट्रॉनिक विशेषता जिसका नाम “बैंड गैप” है, नहीं है।

बैंड गैप यह निर्धारित करता है कि कोई पदार्थ धातु (बिजली संचालित), इन्सुलेटर (बिजली को रोकने वाला), या अर्धचालक (जो चालक और इन्सुलेटर के बीच स्विच कर सकता है) माना जाएगा।

स्रोत: Energy Education

समस्या यह है कि ग्राफीन में बिल्कुल भी बैंड गैप नहीं है, जिससे इसे अर्धचालक के रूप में उपयोग नहीं किया जा सकता।

हालाँकि, एक अन्य सामग्री प्रकार ग्राफीन जैसी इलेक्ट्रॉन गतिशीलता रख सकता है लेकिन अर्धचालक क्षमताओं के अनुकूल बैंड गैप प्रदर्शित कर सकता है। इस सामग्री को ऑर्गेनिक पॉलिमर कहा जाता है।

ऑर्गेनिक अर्धचालकों का निर्माण

What makes graphene so conductive are two factors:

1. It is essentially a 2D material, forming a perfectly flat monoatomic layer of carbon atoms.
2. The electrons between the hexagons of carbon can flow almost freely between the atomic structures called aromatic hydrocarbons.

स्रोत: Britannica

एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन वास्तव में प्रकृति में बहुत सामान्य हैं, लेकिन ग्राफीन की 2D परत बहुत दुर्लभ है। हालांकि, कई ऑर्गेनिक सामग्री में वह बैंड गैप प्रदर्शित करने की क्षमता होती है जो ग्राफीन में अनुपस्थित है।

दक्षिण कोरिया के पोहांग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (POSTECH) के प्रोफेसर किमून किम, प्रोफेसर जी हुन शिम, प्रोफेसर जुन सुंग किम, और डॉ. यॉन्गसांग ली ने सामान्य ऑर्गेनिक सामग्री को ग्राफीन के समान कुछ बनाने का तरीका खोजा।

स्रोत: POSTECH

ऑर्गेनिक पॉलिमर को 2D बनाना

What prevents organic polymers from working as graphene is that during their polymerization, inter-layer stacking blocks the polymer’s growth.

शोधकर्ताओं ने पाया कि मोनोमर के जुड़ने को रोकने वाले रासायनिक समूह (स्थैरिक बाधा) जोड़ने से, वे दो-आयामी पॉलिमर मध्यवर्ती पदार्थों की स्टैकिंग को दबा सकते हैं। उपयोग किया गया ऑर्गेनिक पॉलिमर ट्रायाज़ाकोरोनिन था।

स्रोत: POSTECH

फिर उन्होंने पॉलिमर संश्लेषण में p-टाइप डोपिंग नामक चरण जोड़ा, जो अर्धचालकों के उत्पादन में सामान्यतः उपयोग होता है। इसका अर्थ है अर्धचालक सामग्री में तत्व जोड़ना ताकि वह और अधिक चालक बन सके।

स्रोत: Wikipedia by VectorVoyager 

परिणामी सामग्री को शोधकर्ताओं ने “उत्कृष्ट विद्युत चालकता” के रूप में वर्णित किया है।

ऑर्गेनिक अर्धचालकों की विशाल संभावनाएँ

यह उपलब्धि ऑर्गेनिक अर्धचालकों की बहुत कम इलेक्ट्रॉन गतिशीलता की समस्या को हल करती है।

यह इलेक्ट्रॉनों और होलों के संचरण मार्गों को आणविक स्तर पर नियंत्रित करना भी आसान बनाता है, जो इस सामग्री से ट्रांज़िस्टर और कंप्यूटिंग चिप बनाने के लिए आवश्यक कदम है।

यह भी संभव है कि ग्राफीन को “बैंड गैप” दिया जा सके, एक और मार्ग जिसे हमारे लेख “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?” में विस्तृत रूप से खोजा गया है।

ग्राफीन अर्धचालकों की संभावनाएँ और ग्राफीन-समरूप विशिष्टताओं वाले ऑर्गेनिक अर्धचालकों दोनों के कई संभावित अनुप्रयोग हो सकते हैं।

बेशक, यह तभी संभव है जब हम कंप्यूटिंग को अर्धचालकों पर आधारित रखें, न कि फोटॉनिक्स पर जैसा कि “Advancing Semiconductors – Could ‘Donut’ Beams to ‘Lego’ Blocks Be Set to Upend Industry Approaches?” में चर्चा की गई है या क्वांटम कंप्यूटिंग जैसा कि “The Current State of Quantum Computing” में बताया गया है।

अर्धचालक

जबकि सिलिकॉन अपनी भौतिक विशेषताओं के कारण अपनी सीमा तक पहुँच रहा है, ग्राफीन-समरूप चालकता ऑर्गेनिक अर्धचालकों को एक व्यवहार्य प्रतिस्थापन सामग्री बना सकती है जिससे मोर्स का नियम वैध बना रहे, क्योंकि तेज़ इलेक्ट्रॉन तेज़ कंप्यूटिंग में परिवर्तित होते हैं।

यह सिलिकॉन को प्रतिस्थापित करने वाले उम्मीदवारों में ऑर्गेनिक सामग्री को जोड़ता है, साथ ही उन्नत ग्राफीन और वैनेडियम डाइऑक्साइड जैसे इंसुलेटर-टू-मेटल (IMT) के साथ (इन अर्धचालक प्रौद्योगिकी उन्नतियों के बारे में आप “Keeping Pace with Moore’s Law with Active Substrates And Neuromorphic Computing” में अधिक पढ़ सकते हैं)।

बैटरियाँ

एक अन्य उद्योग जो धातुओं को बदलने के लिए ऑर्गेनिक सामग्री का उपयोग देख रहा है, वह बैटरी उद्योग है, जिसे इलेक्ट्रिक वाहनों और नवीकरणीय ऊर्जा के बूम से शक्ति मिल रही है।

यदि ऑर्गेनिक सामग्री ग्राफीन-समरूप गुण प्रदर्शित कर सकती है, तो वे ग्राफीन बैटरियों के विकल्प बन सकती हैं, जो कई संभावित ईवी बैटरी रसायनों में से एक है, जैसा कि हमने “The Future of Mobility – Battery Tech” में चर्चा की।

अर्धचालक कंपनियाँ

1. IBM

कम्प्यूटिंग, अर्धचालकों और चिप डिजाइन में एक ऐतिहासिक अग्रणी, इंटरनेशनल बिजनेस मशीन कॉरपोरेशन (IBM) कंप्यूटिंग और अर्धचालक उद्योग में अधिकांश अत्याधुनिक नवाचारों में उपस्थित रहा है।

यह लेख में चर्चा किए गए कंडक्टिंग ऑर्गेनिक मैटेरियल्स के साथ-साथ न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग, क्वांटम कंप्यूटिंग, फोटॉनिक्स आदि को भी शामिल करता है।

इंटेल के साथ, IBM उन कंपनियों में से एक है जो नई कंप्यूटिंग तकनीकों को सक्रिय रूप से आगे बढ़ा रही हैं, गैर-सिलिकॉन कंप्यूटिंग और उसकी पिछली सफलताओं को दोहराने की कोशिश कर रही हैं।

यह IBM को अपनी विशाल अनुसंधान एवं विकास बजट और शोध साझेदारों के नेटवर्क का उपयोग करके ग्राफीन-समरूप ऑर्गेनिक अर्धचालकों जैसी खोजों का लाभ उठाने के लिए एक अच्छी स्थिति में रखता है।

2. ON Semiconductor Corporation

ON Semi एक अर्धचालक कंपनी है जो इलेक्ट्रिफिकेशन में विशेषज्ञता रखती है, जिसमें ऑटोमोबाइल शामिल है, लेकिन सौर ऊर्जा, बैटरियों, एयरोस्पेस, टेलीकम्युनिकेशन, डेटा सेंटर और मेडिकल जैसे अन्य क्षेत्रों में भी शामिल है। इस प्रकार, यह दुनिया की कई सबसे बड़ी औद्योगिक कंपनियों के लिए एक प्रमुख साझेदार है।

स्रोत: ON Semi

ON Semi की तकनीकी लाभ का एक बड़ा हिस्सा सिलिकॉन कार्बाइड पर आधारित है, जो सिलिकॉन-कार्बन यौगिक का एक प्रकार है और उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रिक सिस्टमों में उपयोग होता है। यह विशेष रूप से ईवी की तेज़ चार्जिंग के लिए आवश्यक बहुत उच्च पावर लोड को सक्षम बनाता है।

सिलिकॉन कार्बाइड वह रसायन है जिसका उपयोग हाल ही में शोधकर्ताओं ने अर्धचालक ग्राफीन विकसित करने के लिए किया है, जैसा कि हमारे लेख “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?” में चर्चा की गई है।

सिलिकॉन कार्बाइड पर दोहरा ध्यान देने की ON Semi की रणनीति ने कंपनी को पिछले कुछ वर्षों में राजस्व में उछाल दिया है, जो ईवी क्रांति द्वारा संचालित है।

सिलिकॉन कार्बाइड और सामान्यतः कार्बन-आधारित अर्धचालकों में ON Semi की विशेषज्ञता ग्राफीन या ऑर्गेनिक सामग्री पर आधारित अर्धचालकों को औद्योगिक बनाने में मूल्यवान हो सकती है।

इसी बीच, अधिक शक्तिशाली और कुशल बैटरियों और इलेक्ट्रिक सिस्टमों की आवश्यकता, सिलिकॉन कार्बाइड, वैश्विक आपूर्ति श्रृंखला में लगातार अधिक महत्वपूर्ण हो रहे हैं। इस क्षेत्र में एक नेता के रूप में, ON Semi को इलेक्ट्रिफिकेशन प्रवृत्ति, विशेषकर ईवी से, बहुत लाभ मिलने की संभावना है।

अंत में, यह भी संभव है कि यदि ऑर्गेनिक अर्धचालकों के बैटरी तकनीक में अनुप्रयोग हों, तो इस क्षेत्र में ON Semi की मजबूत उपस्थिति इसे इस तकनीक को लागू करने वाली पहली कंपनियों में से एक बना सकती है।