एक प्रवाहकीय पॉलिमर की शक्ति को फ्लेक्स करना

एक प्रवाहकीय पॉलिमर की शक्ति को फ्लेक्स करना

दशकों से, सिलिकॉन-आधारित अर्धचालकों द्वारा सक्षम क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर ने इलेक्ट्रॉनिक्स क्रांति को संचालित किया है। लेकिन हाल के वर्षों में, निर्माताओं ने सिलिकॉन चिप्स के आकार में और कमी और दक्षता हासिल करने के लिए कठिन भौतिक सीमाओं का सामना किया है। इसमें वैज्ञानिक और इंजीनियर पारंपरिक मेटल-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (CMOS) ट्रांजिस्टर के विकल्प की तलाश में हैं।

“कार्बनिक अर्धचालक पारंपरिक सिलिकॉन आधारित अर्धचालक उपकरणों पर कई विशिष्ट लाभ प्रदान करते हैं: वे कार्बन, हाइड्रोजन और नाइट्रोजन जैसे प्रचुर मात्रा में उपलब्ध तत्वों से बने होते हैं; वे यांत्रिक लचीलेपन और निर्माण की कम लागत प्रदान करते हैं; और उन्हें आसानी से बड़े पैमाने पर गढ़ा जा सकता है, “यूसी सांता बारबरा इंजीनियरिंग प्रोफेसर योन विसेल, नई सामग्रियों के साथ काम करने वाले शोधकर्ताओं के एक समूह का हिस्सा है। “शायद अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि बहुलक स्वयं को विभिन्न प्रकार के रसायन शास्त्र विधियों का उपयोग करके तैयार किया जा सकता है ताकि परिणामस्वरूप अर्धचालक उपकरणों को रोचक ऑप्टिकल और विद्युत गुणों के साथ समाप्त किया जा सके। इन गुणों को अकार्बनिक (जैसे, सिलिकॉन-आधारित) ट्रांजिस्टर की तुलना में कई और तरीकों से डिज़ाइन, ट्यून या चुना जा सकता है।”

विसेल ने जिस डिज़ाइन लचीलेपन का वर्णन किया है, वह उन्नत सामग्री पत्रिका में यूसीएसबी शोधकर्ताओं और अन्य लोगों द्वारा रिपोर्ट किए गए उपकरणों की पुन: विन्यास में उदाहरण है।

पोस्ट-सीएमओएस इलेक्ट्रॉनिक्स के उम्मीदवारों के रूप में पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य तर्क सर्किट विशेष रुचि रखते हैं, क्योंकि वे ऊर्जा दक्षता में वृद्धि करते हुए सर्किट डिजाइन को सरल बनाना संभव बनाते हैं। कार्बनिक इलेक्ट्रोकेमिकल ट्रांजिस्टर (ओईसीटी) नामक कार्बन-आधारित (जैसे, सिलिकॉन- या गैलियम-नाइट्राइड-आधारित) ट्रांजिस्टर के विपरीत, हाल ही में विकसित एक वर्ग को पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए अच्छी तरह से अनुकूल दिखाया गया है।

हाल के पेपर में, रसायन विज्ञान के प्रोफेसर थुक-क्वेन गुयेन, जो यूसीएसबी सेंटर फॉर पॉलिमर एंड ऑर्गेनिक सॉलिड्स का नेतृत्व करते हैं, और विसेल सहित सह-लेखक एक सफल सामग्री का वर्णन करते हैं – एक नरम, अर्धचालक कार्बन-आधारित बहुलक – जो अद्वितीय लाभ प्रदान कर सकता है। अकार्बनिक अर्धचालक वर्तमान में पारंपरिक सिलिकॉन ट्रांजिस्टर में पाए जाते हैं।

“पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य कार्बनिक तर्क उपकरण कुशल कंप्यूटिंग सिस्टम और अनुकूली इलेक्ट्रॉनिक्स की अगली पीढ़ियों के लिए उम्मीदवारों का वादा कर रहे हैं,” शोधकर्ता लिखते हैं। “आदर्श रूप से, ऐसे उपकरण सरल संरचना और डिजाइन के होंगे, [as well as] शक्ति-कुशल और उच्च-थ्रूपुट माइक्रोफैब्रिकेशन तकनीकों के साथ संगत। ”

चालकता के लिए संयुग्मन

एक संयुग्मित पॉलीइलेक्ट्रोलाइट, या सीपीई-के, में एक केंद्रीय संयुग्मित रीढ़ की हड्डी होती है, जिसमें बारी-बारी से सिंगल और डबल बॉन्ड होते हैं, और आयनों के साथ कई चार्ज किए गए साइड चेन होते हैं। विसेल द्वारा सह-सलाह देने वाले गुयेन की प्रयोगशाला में एक पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता लीड लेखक तुंग गुयेन-डांग बताते हैं, “पूरे बहुलक में संयुग्मित बंधन होने से यह प्रवाहकीय होता है, क्योंकि डेलोकाइज्ड इलेक्ट्रॉनों में बहुलक की लंबाई में उच्च गतिशीलता होती है।” “आप इस आणविक डिजाइन में दो क्लासिक सामग्री, बहुलक और अर्धचालक से शादी कर रहे हैं।”

आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस (एआई) ने सामग्री विकसित करने में भूमिका निभाई। “आप एक सामग्री बनाने के लिए परीक्षण और त्रुटि से आगे बढ़ सकते हैं,” गुयेन कहते हैं। “आप उनमें से एक पूरी गुच्छा बना सकते हैं और सर्वश्रेष्ठ के लिए आशा कर सकते हैं, और शायद बीस में से एक काम करता है या दिलचस्प गुण रखता है; हालांकि, हमने कैलिफ़ोर्निया स्टेट नॉर्थ्रिज, गैंग लू में एक प्रोफेसर के साथ काम किया, जिन्होंने बिल्डिंग ब्लॉक्स का चयन करने के लिए एआई का इस्तेमाल किया और आगे बढ़ने के तरीके के बारे में एक मोटा विचार प्राप्त करने के लिए गणना की, ऊर्जा स्तर और गुणों को हम लक्षित कर रहे थे।

पुन: विन्यास का पता लगाना

सीपीई-के का एक प्रमुख लाभ यह है कि यह पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य (“दोहरी-मोड”) लॉजिक गेट्स को सक्षम बनाता है, जिसका अर्थ है कि उन्हें गेट पर वोल्टेज को समायोजित करके या तो कमी मोड या संचय मोड में संचालित करने के लिए फ्लाई पर स्विच किया जा सकता है। कमी मोड में, किसी भी गेट वोल्टेज (उर्फ राज्य पर उर्फ) के आवेदन से पहले, नाली और स्रोत के बीच सक्रिय सामग्री के माध्यम से प्रवाह शुरू में उच्च होता है। जब गेट वोल्टेज लगाया जाता है, तो करंट गिरता है और ट्रांजिस्टर को ऑफ स्टेट में बदल दिया जाता है। संचय मोड विपरीत है – गेट वोल्टेज के बिना, ट्रांजिस्टर एक बंद स्थिति में है, और गेट वोल्टेज को लागू करने से डिवाइस को चालू स्थिति में स्विच करने से उच्च धारा उत्पन्न होती है।

गुयेन कहते हैं, “पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक लॉजिक गेट, जो कंप्यूटर या स्मार्ट फोन में पाए जाने वाले सभी डिजिटल सर्किट के लिए बिल्डिंग ब्लॉक हैं, हार्डवेयर हैं जो केवल एक ही काम करते हैं, जिसके लिए उन्हें डिज़ाइन किया गया है।” “उदाहरण के लिए, एक AND गेट में दो इनपुट और एक आउटपुट होता है, और यदि उस पर लागू इनपुट सभी 1 हैं, तो आउटपुट 1 होगा। इसी तरह, एक NOR गेट में भी दो इनपुट और एक आउटपुट होता है, लेकिन यदि सभी इसके लिए लागू इनपुट 1 हैं, तो आउटपुट 0 होगा। इलेक्ट्रॉनिक गेट ट्रांजिस्टर का उपयोग करके कार्यान्वित किए जाते हैं, और उन्हें पुन: कॉन्फ़िगर करना (जैसे और गेट से एनओआर गेट में बदलना) के लिए आक्रामक संशोधन की आवश्यकता होती है, जैसे कि निराकरण, जो आमतौर पर बहुत जटिल होता है व्यावहारिक होना।

“पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य गेट्स, जैसा कि हम दिखाते हैं, दोनों प्रकार के लॉजिक गेट्स के रूप में व्यवहार कर सकते हैं, केवल गेट वोल्टेज को बदलकर AND से NOR और इसके विपरीत स्विच कर सकते हैं,” वह जारी है। “वर्तमान में इलेक्ट्रॉनिक्स में, कार्यक्षमता संरचना द्वारा परिभाषित की जाती है, लेकिन हमारे डिवाइस में आप व्यवहार को बदल सकते हैं और इसे लागू वोल्टेज को बदलकर इसे कुछ और बना सकते हैं। यदि हम इस आविष्कार को एक ही गेट से और अधिक जटिल सर्किट में विस्तारित करते हैं जिसमें ऐसे कई पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य द्वार होते हैं, तो हम हार्डवेयर के एक शक्तिशाली टुकड़े की कल्पना कर सकते हैं जिसे पारंपरिक लोगों की तुलना में कई अधिक कार्यात्मकताओं के साथ प्रोग्राम किया जा सकता है जिसमें समान संख्या में ट्रांजिस्टर होते हैं।

सीपीई-के-आधारित ओईसीटी के लिए एक और लाभ: उन्हें बहुत कम वोल्टेज पर संचालित किया जा सकता है, जिससे वे व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग के लिए उपयुक्त हो जाते हैं। कि, इसके लचीलेपन और जैव-संगतता के साथ, सामग्री को प्रत्यारोपित बायोसेंसर, पहनने योग्य उपकरणों और न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग सिस्टम के लिए एक संभावित उम्मीदवार बनाते हैं जिसमें OECT कृत्रिम सिनेप्स या गैर-वाष्पशील यादों के रूप में काम कर सकते हैं।

इंग्लैंड में कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के एक सहयोगी के बारे में गुयेन बताते हैं, “हमारे सहयोगी ऐसे उपकरण बना रहे हैं जो मस्तिष्क में ग्लूकोज के स्तर में गिरावट की निगरानी कर सकते हैं जो दौरे से ठीक पहले होता है।” “और पता लगाने के बाद, एक अन्य उपकरण – एक माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस – प्रक्रिया को होने से पहले रोकने के लिए स्थानीय रूप से एक दवा वितरित करेगा।”

गुयेन के अनुसार, सीपीई-के से बने उपकरणों में आयनों के प्रकार के आधार पर समवर्ती डोपिंग और डी-डोपिंग की सुविधा होती है। “आप उपकरण बनाते हैं और इसे एक तरल इलेक्ट्रोलाइट – सोडियम क्लोराइड में डालते हैं” [i.e., table salt] पानी में घुल गया, ”वह कहती हैं। “फिर आप गेट पर सकारात्मक वोल्टेज लगाकर सोडियम को सीपीई-के सक्रिय परत में स्थानांतरित करने के लिए ड्राइव कर सकते हैं। वैकल्पिक रूप से, आप गेट वोल्टेज की ध्रुवीयता को बदल सकते हैं और क्लोराइड को सक्रिय परत में स्थानांतरित करने के लिए ड्राइव कर सकते हैं। प्रत्येक परिदृश्य एक अलग प्रकार के आयन इंजेक्शन का उत्पादन करता है, और वे विभिन्न आयन हैं जो हमें डिवाइस के संचालन के तरीके को बदलने की अनुमति देते हैं। ”

स्व-डोपिंग डोपेंट जोड़ने के अतिरिक्त चरण को हटाकर निर्माण प्रक्रिया को भी सरल बनाता है। “कई बार जब आप एक डोपेंट जोड़ते हैं, तो यह सामग्री की मात्रा में समान रूप से वितरित नहीं होता है,” गुयेन कहते हैं। “जैविक डोपिंग सामग्री फैलाने के बजाय एक साथ क्लस्टर करते हैं। लेकिन चूंकि हमारी सामग्री को उस चरण की आवश्यकता नहीं है, इसलिए आप असमान डोपेंट वितरण के मुद्दे में भाग नहीं लेते हैं। आप डोपेंट को अनुकूलित करने और सही मिश्रण और अनुपात निर्धारित करने की पूरी प्रक्रिया से भी बचते हैं, जो सभी कदम जोड़ते हैं और प्रसंस्करण को जटिल करते हैं। ”

टीम ने डिवाइस के लिए एक भौतिकी मॉडल भी विकसित किया जो इसके कार्य तंत्र की व्याख्या करता है और दोनों ऑपरेशन मोड में इसके व्यवहार की सही भविष्यवाणी करता है, इस प्रकार यह दर्शाता है कि डिवाइस वही कर रहा है जो वह कर रहा है।

विसेल ने निष्कर्ष निकाला, “यह उल्लेखनीय नई ट्रांजिस्टर तकनीक आदर्श रूप से आश्चर्यजनक इलेक्ट्रॉनिक और कंप्यूटिंग कार्यात्मकताओं का उदाहरण है जो रसायन विज्ञान, भौतिकी, सामग्री और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में अभिसरण अनुसंधान के माध्यम से सक्षम की जा रही हैं।”

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