ग्रैफ़ीन सेमिकंडक्टर्स – क्या वे अंततः यहाँ हैं?

आज, सेमिकंडक्टर्स आधुनिक दुनिया को शक्ति प्रदान करते हैं। वे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की रीढ़ हैं, और एक खोज इलेक्ट्रॉनिक उद्योग को काफी हद तक बदलने का लक्ष्य रखती है।

सेमिकंडक्टर्स को माइक्रोचिप्स या इंटीग्रेटेड सर्किट्स (ICs) भी कहा जाता है, ये ऐसे पदार्थ हैं जिनकी विद्युत चालकता धातुओं जैसे एल्यूमीनियम और तांबे और इन्सुलेटर जैसे सिरेमिक और कांच के बीच होती है। सेमिकंडक्टर्स

सेमिकंडक्टर्स प्रकाश और गर्मी के प्रति संवेदनशील होते हैं, और उनका प्रतिरोध बदलता रहता है। जैसे ही तापमान बढ़ता है, सेमिकंडक्टर्स की प्रतिरोधकता घटती है, जो धातुओं के व्यवहार के विपरीत है।

सेमिकंडक्टर्स के कुछ उदाहरण सिलिकॉन और जर्मेनियम हैं, जो शुद्ध तत्व हैं और प्रकृति में आसानी से पाए जाते हैं। इसके अलावा, कैडमियम सेलेनाइड और गैलियम आर्सेनाइड जैसे यौगिक भी होते हैं। साथ ही, पदार्थों की चालकता या गुणों को बदलने के लिए शुद्ध सेमिकंडक्टर्स में डोपिंग नामक प्रक्रिया के माध्यम से थोड़ी मात्रा में अशुद्धियों को जोड़ा जाता है।

इसलिए, उनकी शुद्धता के आधार पर, सेमिकंडक्टर्स को दो वर्गों में बाँटा जाता है — अंतर्निहित (intrinsic) सेमिकंडक्टर्स, जो एक ही प्रकार के परमाणु से बने प्राकृतिक पदार्थ होते हैं और सीधे उपकरणों में उपयोग किए जा सकते हैं, और बाह्य (extrinsic) सेमिकंडक्टर्स, जिन्हें पहले डोप किया जाना आवश्यक होता है। अंतर्निहित सेमिकंडक्टर्स को बदलने से दो प्रकार के बाह्य सेमिकंडक्टर्स बनते हैं: N-टाइप (डोनर) और P-टाइप (एक्सेप्टर)।

सेमिकंडक्टर्स का उपयोग डायोड्स के लिए किया जाता है, जो वैकल्पिक धारा (AC) को प्रत्यक्ष धारा (DC) में बदलते हैं, ट्रांजिस्टर या करंट एम्प्लीफायर के रूप में, और इलेक्ट्रॉनिक सर्किट्स के लिए, जो विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण में आवश्यक हैं।

सेमिकंडक्टर्स के साथ हमें फ़िलामेंट न होने का लाभ मिलता है। इसलिए, उन्हें इलेक्ट्रॉनों को उत्सर्जित करने के लिए गर्म करने की आवश्यकता नहीं होती। इसका मतलब है कि सेमिकंडक्टर्स को तुरंत चलाया जा सकता है। इसके अलावा, उनका आकार छोटा होता है; इसलिए वे कॉम्पैक्ट, पोर्टेबल और कम ऊर्जा का उपयोग करते हैं। साथ ही, सेमिकंडक्टर्स बहुत महंगे नहीं होते।

सेमिकंडक्टर्स हमारे जीवन का अभिन्न हिस्सा हैं, क्योंकि इनके बिना टीवी, रेडियो, कंप्यूटर, स्मार्टफ़ोन, automobiles, रेफ़्रिजरेटर और वीडियो गेम नहीं होते। सेमिकंडक्टर्स मूलतः छोटे स्विच बनाते हैं जिन्हें चालू और बंद किया जा सकता है ताकि विद्युत प्रवाह को नियंत्रित किया जा सके, और यह विद्युत प्रवाह इलेक्ट्रॉनिक सर्किट्स के माध्यम से उपकरणों को कार्य करने में सक्षम बनाता है।

यह सेमिकंडक्टर्स को इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का एक आवश्यक घटक बनाता है, जो कंप्यूटिंग, संचार, स्वास्थ्य देखभाल, परिवहन, स्वच्छ ऊर्जा, रक्षा, उपकरण, गेमिंग हार्डवेयर और कई अन्य अनुप्रयोगों में प्रगति को सक्षम करता है।

पिछले कई दशकों में, सेमिकंडक्टर्स प्रौद्योगिकी में विकास ने इन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को न केवल छोटा बल्कि तेज़, अधिक परिष्कृत, संगत और विश्वसनीय बना दिया है।

सेमिकंडक्टर्स के साथ काम करने वाली कंपनियां आमतौर पर अपनी गतिविधियों को डिजाइन या निर्माण के चारों ओर व्यवस्थित करती हैं। जो कंपनियां डिजाइन पर केंद्रित होती हैं उन्हें “फ़ैब्लेस” फर्म कहा जाता है, जबकि केवल निर्माण पर ध्यान देने वाली कंपनियों को “फ़ाउंड्रीज़” कहा जाता है, और जो दोनों करती हैं उन्हें इंटीग्रेटेड डिवाइस मैन्युफैक्चरर्स (IDMs) कहा जाता है।

पिछले कुछ वर्षों में, सेमिकंडक्टर्स संकट आया है। 2020 के अंत से, महामारी और लॉकडाउन के बाद, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की मांग में तेज़ी से वृद्धि के साथ, विश्व स्तर पर माइक्रोचिप्स और इलेक्ट्रॉनिक सर्किट्स की कमी हुई है।

ऑनलाइन कक्षाओं, रिमोट कार्य और बढ़ती डिजिटलाइजेशन ने इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की मांग में जबरदस्त वृद्धि की, जबकि नई तकनीकी प्रगति ने एआई, वीआर, 5जी, बिग डेटा और क्लाउड सेवाओं जैसी विघटनकारी तकनीकों को जन्म दिया, जिससे स्थिति और बिगड़ गई।

इसका जवाब देते हुए, विश्व भर की कंपनियां इस समस्या का समाधान खोजने के लिए भारी मात्रा में संसाधन निवेश कर रही हैं।

एक बड़ी खोज: पहला कार्यात्मक ग्रैफ़ीन सेमिकंडक्टर 

गैलियम आर्सेनाइड एक लोकप्रिय सेमिकंडक्टर है जो सोलर सेल, लेज़र डायोड और माइक्रोवेव-फ़्रीक्वेंसी इंटीग्रेटेड सर्किट्स में उपयोग होता है। आज उपयोग में सबसे सामान्य सेमिकंडक्टर सिलिकॉन है, जो अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक सर्किट्स के निर्माण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। लेकिन यह सामग्री अपनी सीमा तक पहुँच रही है — इसे बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिससे वैज्ञानिक वैकल्पिक समाधान खोजने पर काम कर रहे हैं।

और एक और तत्व है, ग्रैफ़ीन, जिसे आमतौर पर सेमिकंडक्टर नहीं माना जाता, लेकिन इसे चिप्स और सर्किट्स बनाने में उपयोग किया जा सकता है। यह एक अत्यधिक चालक पदार्थ है जो बहुत प्रभावी ढंग से गर्मी को वितरित करता है, जिससे इलेक्ट्रॉनिक घटकों का प्रदर्शन सुधरता है। यह सिलिकॉन की तुलना में तेज़ गति और ऊर्जा दक्षता प्रदान करता है, बिना बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता के, जिससे इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने में यह अत्यंत लाभदायक बनता है।

ग्रैफ़ीन एक अत्यंत पतला पदार्थ है, केवल एक एटम मोटी कार्बन की परत जो षट्कोणीय रूप में व्यवस्थित होती है, और यह ग्रेफ़ाइट की नींव है। मानव द्वारा ज्ञात सबसे पतले पदार्थ होने के बावजूद, यह बहुत मजबूत (लगभग स्टील से 200 गुना अधिक) और लचीला है।

यह उल्लेख न करना कि यह एकल कार्बन एटम की परत गर्मी और बिजली का उत्कृष्ट चालक है और इसमें रोशनी को अवशोषित करने की कुछ रोचक क्षमताएँ हैं। इसलिए, इस पदार्थ में कई अनुप्रयोगों, जैसे सेंसर, सोलर सेल, बैटरियों आदि, में क्रांति लाने की क्षमता है।

हालांकि, इस पदार्थ में कुछ समस्याएँ भी हैं, जिनमें ग्रैफ़ीन की असाधारण विद्युत चालकता शामिल है, जो इसे सेमिकंडक्टर के रूप में उपयोग करना कठिन बनाती है। इसलिए, इसे एक बैंडगैप की आवश्यकता होती है, जो सेमिकंडक्टर्स को ऑन और ऑफ स्विच करने की अनुमति देता है, लेकिन ग्रैफ़ीन में सामान्यतः यह नहीं होता। ग्रैफ़ीन में बैंडगैप लाने के लिए, वैज्ञानिकों ने ग्रैफ़ीन को विशिष्ट आकारों में निर्मित किया या अन्य 2D पदार्थों का उपयोग किया जिनमें अंतर्निहित बैंडगैप होता है, लेकिन वे कार्यात्मक सेमिकंडक्टिंग ग्रैफ़ीन बनाने में विफल रहे।

जब वैज्ञानिक ग्रैफ़ीन पर काम कर रहे थे, तो हाल ही में एक बड़ी उपलब्धि हासिल हुई जहाँ शोधकर्ताओं ने पहला कार्यात्मक ग्रैफ़ीन सेमिकंडक्टर प्रदर्शित किया, जिसका अर्थ है कंप्यूटिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया को हमेशा के लिए बदल देना। यह कई वर्षों तक ग्रैफ़ीन अनुसंधान को प्रभावित करने वाली बाधा को पार करके हासिल किया गया, अर्थात सही बैंडगैप जो उचित अनुपात में ऑन और ऑफ स्विच कर सके — जो ग्रैफ़ीन चिप-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स को वास्तविकता बनाने में एक महत्वपूर्ण चरण प्रस्तुत करता है।

बैंडगैप वाला ग्रैफ़ीन सेमिकंडक्टर न केवल कार्यात्मक है बल्कि मौजूदा निर्माण प्रक्रियाओं में भी एकीकृत किया जा सकता है। 2024 के पहले सप्ताह में नेचर में प्रकाशित, अध्ययन ने एक कार्यात्मक ग्रैफ़ीन सेमिकंडक्टर दिखाया जो नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किया जा सकता है।

इसके लिए, वॉल्टर डी हीर, जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ़ टेक्नोलॉजी में भौतिकी के प्रोफेसर, ने एक शोध समूह का नेतृत्व किया और चीन के टियानजिन विश्वविद्यालय के साथ सहयोग किया। और उन्होंने कहा:

“हम अब एक अत्यंत मजबूत ग्रैफ़ीन सेमिकंडक्टर रखते हैं जिसकी गतिशीलता सिलिकॉन से दस गुना अधिक है, और इसमें ऐसी अनोखी विशेषताएँ हैं जो सिलिकॉन में उपलब्ध नहीं हैं। लेकिन पिछले दस वर्षों के हमारे काम की कहानी यह रही है, ‘क्या हम इस पदार्थ को इतना अच्छा बना सकते हैं कि यह काम करे?'”

अपने करियर की शुरुआत में, डी हीर ने कार्बन-आधारित पदार्थों को संभावित सेमिकंडक्टर्स के रूप में खोजा, फिर बीस साल पहले 2D ग्रैफ़ीन की ओर रुख किया। टीम “ग्रैफ़ीन की तीन विशेष विशेषताओं को इलेक्ट्रॉनिक्स में लाने की आशा से प्रेरित थी” — एक अत्यंत मजबूत पदार्थ, बहुत बड़े करंट को संभालने की क्षमता, और इसे बिना गर्म हुए या टूटे संभालना।

ब्रेकथ्रू तब हासिल हुआ जब टीम ने यह पता लगाया कि सिलिकॉन कार्बाइड वेफ़र पर ग्रैफ़ीन कैसे उगाया जाए — जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग होते हैं और ऊर्जा के कुशल रूपांतरण को सक्षम बनाते हैं — विशेष फर्नेस और विशेष हीटिंग एवं कूलिंग प्रक्रिया का उपयोग करके।

यह एपिटैक्सियल ग्रैफ़ीन की ओर ले गया, जो सिलिकॉन कार्बाइड (सिलिकॉन और कार्बन युक्त एक कठोर क्रिस्टलीय यौगिक) के क्रिस्टल फेस पर उगने वाली परत है, जो सही तरीके से बनायी़ँ जाने पर सिलिकॉन कार्बाइड के साथ रासायनिक बंध बनाती है और सेमिकंडक्टिंग गुण प्रदर्शित करती है।

एक कार्यात्मक ट्रांजिस्टर बनाने के लिए, टीम को यह सुनिश्चित करना पड़ा कि सेमिकंडक्टिंग पदार्थ को कार्यात्मक ट्रांजिस्टर के रूप में उपयोग करने पर उसके गुण क्षतिग्रस्त न हों। इसके लिए, टीम ने पहले यह देखना पड़ा कि पदार्थ एक अच्छा कंडक्टर है या नहीं और डोपिंग तकनीक का उपयोग किया, और यह पदार्थ या उसके गुणों को नुकसान पहुँचाए बिना काम किया।

वॉल्टर डी हीर के अनुसार, सिलिकॉन कार्बाइड वेफ़र पर संक्रमण “काफी संभव” है। अध्ययन ने पाया कि उनका ग्रैफ़ीन सेमिकंडक्टर सिलिकॉन की तुलना में बहुत अधिक गतिशीलता रखता है, जिसका अर्थ है इलेक्ट्रॉनों का बहुत कम प्रतिरोध के साथ प्रवाह। इलेक्ट्रॉनिक्स में, यह तेज़ कंप्यूटिंग में परिवर्तित होता है।

“यह कंकड़ वाली सड़क पर गाड़ी चलाने जैसा है बनाम राजमार्ग पर गाड़ी चलाने के,” डी हीर ने कहा। “यह अधिक कुशल है, यह इतना गर्म नहीं होता, और यह उच्च गति की अनुमति देता है ताकि इलेक्ट्रॉन तेज़ी से चल सकें।”

भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक्स को शक्ति देने के लिए क्रांतिकारी ब्रेकथ्रू

दस वर्षों के शोध के बाद, नवीनतम अध्ययन ने यह पता लगाया कि विशेष सिलिकॉन कार्बाइड चिप्स पर ग्रैफ़ीन कैसे उगाया जाए। टीम ने ग्रैफ़ीन के रासायनिक गुणों को बदलकर वांछित संरचना प्राप्त की ताकि ग्रैफ़ीन उच्च गुणवत्ता वाले सेमिकंडक्टर की तरह कार्य कर सके।

ग्रैफ़ीन इलेक्ट्रॉनिक्स को संभव बनाने के बारे में बात करते हुए, डी हीर ने कहा:

“हमें सीखना पड़ा कि पदार्थ को कैसे संभालें, इसे कैसे लगातार बेहतर बनाएं, और अंत में, गुणों को कैसे मापें। इसमें बहुत, बहुत लंबा समय लगा।”

सेमिकंडक्टर वर्तमान में केवल द्वि-आयामी (2D) है, जिसमें नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग के लिए सभी आवश्यक गुण हैं। इसके विद्युत गुण भी वर्तमान में काम में आने वाले अन्य द्वि-आयामी सेमिकंडक्टर्स से बहुत बेहतर हैं। विशेषज्ञ मानते हैं कि यह खोज इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग का चेहरा पूरी तरह बदल सकती है, जिससे हम नई, शक्तिशाली ग्रैफ़ीन सेमिकंडक्टर्स बना सकेंगे जो सिलिकॉन की तुलना में कम ऊर्जा का उपयोग करते हैं।

“इस शोध ने न केवल ग्रैफ़ीन की उल्लेखनीय स्थिरता को बनाए रखा है, बल्कि नई इलेक्ट्रॉनिक विशेषताएँ भी प्रस्तुत की हैं, जिससे ग्रैफ़ीन-आधारित चिप्स के लिए मार्ग साफ हुआ है,” बीजिंग स्थित साइंस एंड टेक्नोलॉजी डेली ने कहा।

ग्रैफ़ीन-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स अधिक कुशल होते हैं क्योंकि उन्हें चालू और बंद करने के लिए कम शक्ति की आवश्यकता होती है, और इसके अलावा, इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह बिना गर्मी उत्पन्न किए होता है, जिससे अतिरिक्त ऊर्जा से ठंडा करने की जरूरत नहीं पड़ती। इसका मतलब है “फ़ोन बैटरी खत्म हुए बिना हफ़्तों तक चल सकते हैं, हमारे जीवन के सभी हिस्सों में ऊर्जा खपत कम हो सकती है, लागत और जीवाश्म ईंधन से होने वाले प्रदूषण में कमी आ सकती है,” यूके के नेशनल ग्रैफ़ीन इंस्टीट्यूट, यूनिवर्सिटी ऑफ़ मैनचेस्टर की सामग्री प्रोफ़ेसर सारा हेइग ने एक साक्षात्कार में कहा।

यह भविष्य में अधिक उन्नत व्यक्तिगत कंप्यूटरों और क्वांटम कंप्यूटरों को शक्ति देने वाले चिप्स के मार्ग को प्रशस्त कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने अध्ययन में नोट किया कि इस सिलिकॉन विकल्प में इलेक्ट्रॉनों में, प्रकाश की तरह, क्वांटम यांत्रिक तरंगों के समान गुण होते हैं। इन गुणों को बहुत कम तापमान पर उपयोग किया जा सकता है। शोधकर्ता अब इसे आगे के अनुसंधान में खोजने का इरादा रखते हैं।

एपिटैक्सियल ग्रैफ़ीन इलेक्ट्रॉनों को कम प्रतिरोध के साथ चलने देता है, जिसका अर्थ है कि इस प्रकार निर्मित ट्रांजिस्टर टेराहर्ट्ज़ फ़्रीक्वेंसी पर काम कर सकते हैं। यह सिलिकॉन की सीमाओं को पार करने में मदद करता है, जिसमें ट्रांजिस्टर कितनी तेज़ी से ऑन और ऑफ स्विच कर सकते हैं, उनका न्यूनतम आकार और उत्पन्न गर्मी शामिल है।

इस प्रकार, नया पदार्थ इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में एक पैरेडाइम शिफ्ट का कारण बन सकता है, जो इलेक्ट्रॉनों की क्वांटम यांत्रिक तरंग गुणों को उपयोग करने की अनुमति देता है, जो क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक है। अगली पीढ़ी के कंप्यूटिंग की ओर एक बड़ा कदम, यह इलेक्ट्रॉनिक्स को छोटे और तेज़ बनाने का नया तरीका खोल सकता है।

जैसा कि डी हीर ने बताया, यह केवल ग्रैफ़ीन की “चीज़ों को छोटा और तेज़ बनाना और कम गर्मी उत्सर्जन” की क्षमता नहीं है, बल्कि “इलेक्ट्रॉनों के उन गुणों का उपयोग करना जो सिलिकॉन में उपलब्ध नहीं हैं,” जो “एक पैरेडाइम शिफ्ट—यह इलेक्ट्रॉनिक्स करने का एक अलग तरीका” प्रस्तुत करता है।

इसका मतलब है कि इलेक्ट्रॉनिक्स की एक नई पीढ़ी अब निकट है। लंबे समय से सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक्स को नेतृत्व दे रहा था, जो वैक्यूम ट्यूब्स से एक कदम आगे था, जो तारों और टेलीग्राफ़ के बाद आया, और अब ग्रैफ़ीन अगला मार्गदर्शन करेगा।

“मेरे लिए, यह एक राइट ब्रदर्स क्षण जैसा है,” डी हीर ने कहा। “उन्होंने एक विमान बनाया जो हवा में 300 फीट तक उड़ सकता था। लेकिन संदेहियों ने पूछा कि जब तेज़ ट्रेन और नौकाएँ पहले से ही हैं तो दुनिया को उड़ान की आवश्यकता क्यों है। लेकिन उन्होंने दृढ़ता दिखाई, और यह एक ऐसी तकनीक की शुरुआत थी जो लोगों को महासागरों के पार ले जा सकती है।”

इसके अलावा, इसे स्केल किया जा सकता है। पहले, ग्रैफ़ीन ने सेमिकंडक्टर के रूप में संभावनाएँ दिखाई थीं, लेकिन केवल छोटे पैमाने पर। ग्रैफ़ीन सेमिकंडक्टर्स को व्यावहारिक कंप्यूटर चिप आकारों तक बढ़ाना चुनौतीपूर्ण रहा है। हालांकि, नवीनतम ब्रेकथ्रू ने एक ऐसी प्रक्रिया का उपयोग किया जो सिलिकॉन चिप्स बनाने की तकनीकों के समान है और पारंपरिक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स प्रोसेसिंग विधियों के साथ संगत है, जिससे इसे बड़े पैमाने पर लागू करना अधिक संभव हो गया है।

शोध ने वेफ़र का उपयोग किया, जिसे यूके के यूनिवर्सिटी ऑफ़ सराइ में डेविड केरी के अनुसार “वास्तव में, पूरी तरह स्केलेबल” कहा गया है, और वर्तमान में सेमिकंडक्टर उद्योग द्वारा उपयोग की जाने वाली तकनीक को “इस प्रक्रिया को स्केल अप करने” के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

यह कहने के बाद, यह देखना बाकी है कि क्या नवीनतम ग्रैफ़ीन सेमिकंडक्टर्स वास्तव में वर्तमान सुपरकंडक्टिंग तकनीक से बेहतर प्रदर्शन कर सकते हैं। इसके अलावा, विश्व को ग्रैफ़ीन चिप्स की ओर बदलने के लिए, गुणवत्ता, आकार और निर्माण तकनीकों के संबंध में नई शोध को परिष्कृत करना पड़ेगा। इसका मतलब है कि यह एक लंबी यात्रा होगी, और ग्रैफ़ीन सेमिकंडक्टर्स के औद्योगिक कार्यान्वयन को पूरी तरह से साकार करने में एक दशक से अधिक समय लग सकता है।

दस सर्वश्रेष्ठ सेमिकंडक्टर उपकरण स्टॉक्स की सूची के लिए यहाँ क्लिक करें।