Targeted synthesis of polycrystalline vanadium dioxide thin films via post-deposition annealing
यह शोध पत्र कमरे के तापमान पर रिएक्टिव पल्स्ड लेजर डिपोजिशन और उसके बाद वैक्यूम एनीलिंग का उपयोग करके पॉलीक्रिस्टलाइन वैनेडियम डाइऑक्साइड थिन फिल्म्स के लिए एक नवीन संश्लेषण विधि प्रस्तुत करता है, जो न्यूरोमॉर्फिक हार्डवेयर के लिए CMOS-संगत एकीकरण को सक्षम करने हेतु पारंपरिक उच्च-तापमान बाधाओं को दूर करता है।
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आधुनिक कंप्यूटर अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली हैं, लेकिन वे बिजली के भी बहुत भूखे हैं। आज उन्हें जिस तरह से बनाया जाता है, वह उस हिस्से को जो जानकारी याद रखता है और उस हिस्से को जो उसका उपयोग गणना के लिए करता है, एक-दूसरे से अलग कर देता है, जिससे डेटा को लगातार आगे-पीछे यात्रा करने के लिए मजबूर होना पड़ता है। यह अलगाव एक ऐसी बाधा (बॉटलनेक) पैदा करता है जो ऊर्जा की भारी मात्रा को बर्बाद करती है, विशेष रूप से तब जब मानव मस्तिष्क की नकल करने का प्रयास किया जाता है, जो स्वाभाविक रूप से सीखने और पैटर्न पहचानने में कुशल है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिक एक नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक घटक की तलाश कर रहे हैं जो एक जैविक न्यूरॉन की तरह व्यवहार कर सके, जो बहुत कम शक्ति का उपयोग करते हुए तेजी से चालू और बंद होने में सक्षम हो। इस काम के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार वैनेडियम डाइऑक्साइड नामक सामग्री है, जिसमें एक विशिष्ट तापमान पर—जो लगभग गर्मी के एक गर्म दिन के तापमान के बराबर है—अपनी प्रकृति को एक विद्युत विसंवाहक (इंसुलेटर) से चालक (कंडक्टर) में बदलने की अनूठी क्षमता है।
चुनौती हमेशा यह रही है कि इस सामग्री की पतली परतें (थिन फिल्म्स) इस तरह से कैसे बनाई जाएं जो आधुनिक कंप्यूटर निर्माण के अनुकूल हों। पारंपरिक तरीकों के लिए सामग्री को उच्च तापमान पर गर्म करने और उसे ऑक्सीजन के स्नान में रखने की आवश्यकता होती है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसे नियंत्रित करना कठिन है और जो अक्सर आधुनिक कंप्यूटर चिप्स में मौजूद नाजुक परतों के साथ असंगत होती है। मॉस्को इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स एंड टेक्नोलॉजी और अन्य रूसी संस्थानों के शोधकर्ताओं ने अब इन फिल्मों को बनाने का एक अधिक सौम्य और सटीक तरीका खोज लिया है। सामग्री को एक गर्म और ऑक्सीजन युक्त वातावरण में जबरन बनाने के बजाय, उन्होंने एक दो-चरणीय प्रक्रिया बनाई जो कमरे के तापमान से शुरू होती है और वैक्यूम (निर्वात) में समाप्त होती है।
टीम ने एक चैंबर के भीतर शुद्ध धात्विक वैनेडियम के ब्लॉक पर एक शक्तिशाली लेजर दागकर शुरुआत की, जो ऑक्सीजन गैस की एक छोटी मात्रा से भरा हुआ था। लेजर ने धातु को वाष्पित कर दिया, जिससे कणों का एक बादल कांच की एक परत से ढके सिलिकॉन वेफर पर गिरा। चूंकि सबस्ट्रेट को कमरे के तापमान पर रखा गया था, इसलिए कण गिरे और एक पतली, अमोर्फस (अनाकार) फिल्म बनाई, जिसका अर्थ है कि परमाणु अव्यवस्थित थे, बिल्कुल वैसे ही जैसे किसी तरल के अणु जो तुरंत जम जाते हैं। इस चरण में, फिल्म अभी तक वह उपयोगी वैनेडियम डाइऑक्साइड नहीं थी जिसकी शोधकर्ताओं को आवश्यकता थी; यह विभिन्न ऑक्सीजन स्तरों का मिश्रण थी और इसमें उस क्रिस्टल संरचना का अभाव था जो एक स्विच के रूप में कार्य करने के लिए आवश्यक है।
इस अव्यवस्थित फिल्म को बदलने के लिए, वैज्ञानिकों ने नमूने को वापस वैक्यूम चैंबर में रखा और बीस मिनट के लिए 500 डिग्री सेल्सियस से थोड़ा कम तापमान तक गर्म किया। यह हीटिंग चरण एक नियंत्रित रिडक्शन (न्यूनीकरण) के रूप में कार्य करता है, जहाँ ऑक्सीजन के परमाणु फिल्म से वैक्यूम में निकल जाते हैं, जिससे सामग्री का रासायनिक संतुलन बदल जाता है। प्रारंभिक लेजर डिपोजिशन के दौरान ऑक्सीजन की मात्रा को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, टीम अंतिम परिणाम को सूक्ष्मता से ट्यून कर सकती थी। उन्होंने पाया कि यदि ऑक्सीजन का दबाव बहुत अधिक था, तो फिल्म बहुत अधिक ऑक्सीकृत रही, और यदि यह बहुत कम था, तो सामग्री अव्यवस्थित बनी रही। हालांकि, 1.60 और 1.65 पास्कल के बीच एक विशिष्ट दबाव पर, वैक्यूम एनीलिंग ने एक ऐसी फिल्म बनाई जो लगभग पूरी तरह से वैनेडियम डाइऑक्साइड के सही क्रिस्टलीय चरण में थी।
परिणामों ने पुष्टि की कि यह नया तरीका बिल्कुल इच्छानुसार काम करता है। जब शोधकर्ताओं ने एक्स-रे और लेजर लाइट के साथ फिल्म का परीक्षण किया, तो उन्होंने एक शुद्ध क्रिस्टल के विशिष्ट पैटर्न देखे, जो उन अन्य अवांछित रासायनिक चरणों से मुक्त थे जो अक्सर इन सामग्रियों को दूषित करते हैं। जब उन्होंने विद्युत गुणों का परीक्षण किया, तो फिल्म ने ठीक एक स्मार्ट स्विच की तरह व्यवहार किया। जैसे ही तापमान बढ़कर लगभग 63 डिग्री सेल्सियस हुआ, सामग्री अचानक बिजली को रोकने से संचालित करने में बदल गई। जब उन्होंने इस फिल्म से बने एक उपकरण पर छोटा वोल्टेज लगाया, तो यह उच्च-प्रतिरोध अवस्था से निम्न-प्रतिरोध अवस्था में और फिर वापस लौट आई, जो एक न्यूरॉन के फायरिंग की नकल करती है। यह स्विचिंग बहुत कम वोल्टेज पर और उच्च प्रतिरोध अनुपात के साथ हुई, जो ऊर्जा-कुशल कृत्रिम न्यूरॉन बनाने के लिए आदर्श है।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि उच्च-गुणवत्ता वाली वैनेडियम डाइऑक्साइड फिल्में बनाना संभव है, जो उन कठोर हीटिंग और ऑक्सीजन स्थितियों के बिना बनाई जा सकती हैं जिन्होंने पहले सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक्स में उनके उपयोग को सीमित कर दिया था। डिपोजिशन और क्रिस्टलीकरण के चरणों को अलग करके, शोधकर्ताओं ने विनिर्माण उपकरणों की मांगों को कम कर दिया है, जिससे मानक कंप्यूटर चिप उत्पादन की बैक-एंड प्रक्रियाओं में इन स्मार्ट सामग्रियों को एकीकृत करने का मार्ग प्रशस्त हुआ है। उनके द्वारा बनाई गई फिल्में केवल प्रयोगशाला की जिज्ञासा नहीं हैं; वे अगली पीढ़ी के न्यूरोमॉर्फिक हार्डवेयर बनाने की दिशा में एक व्यावहारिक कदम हैं जो एक दिन आज के आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस द्वारा उपयोग की जाने वाली ऊर्जा के एक अंश के साथ संचालित हो सकता है।
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