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Halide donors in monoclinic- and corundum-phase Ga $_2$ O $_3$ and Al $_2$ O $_3$

यह प्रथम-सिद्धांतों (first-principles) वाला अध्ययन प्रकट करता है कि जबकि फ्लोरीन और क्लोरीन दोनों ही Ga $_2$ O $_3$ में उथले डोनर (shallow donors) के रूप में कार्य करते हैं, क्लोरीन (Al $_x$ Ga $_{1-x}$ ) $_2$ O $_3$ मिश्र धातुओं और शुद्ध Al $_2$ O $_3$ के लिए एक बेहतर डोनर उम्मीदवार है क्योंकि यह उच्च एल्युमीनियम सांद्रता पर भी गहरे स्तर के $DX$ -केंद्र निर्माण का प्रतिरोध करता है और अपेक्षाकृत उथले ट्रांजिशन स्तर बनाए रखता है, भले ही उच्च निर्माण ऊर्जाओं और स्व-क्षतिपूर्ति (self-compensation) से उत्पन्न चुनौतियों का सामना करना पड़ता हो।

मूल लेखक: Sai Mu, Haochen Wang, Yongjoong Shin, Zhi-Hao Wang, Chris G. Van de Walle

प्रकाशित 2026-09-01

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Sai Mu, Haochen Wang, Yongjoong Shin, Zhi-Hao Wang, Chris G. Van de Walle

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करने की क्षमता ही सब कुछ है। इंजीनियर अर्धचालकों (semiconductors) पर भरोसा करते हैं, जो ऐसे पदार्थ हैं जिन्हें बिजली प्रवाहित करने या उसे रोकने के लिए ट्यून किया जा सकता है, ताकि वे उन उपकरणों का निर्माण कर सकें जो हमारे जीवन को शक्ति देते हैं। इस ट्यूनिंग प्रक्रिया का एक प्रमुख हिस्सा "डोपिंग" (doping) है, जहाँ क्रिस्टल में इलेक्ट्रॉनों की गति को आसान बनाने के लिए विशिष्ट परमाणुओं की सूक्ष्म मात्रा मिलाई जाती है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने गैलियम ऑक्साइड नामक पदार्थ पर ध्यान केंद्रित किया है, जो उच्च वोल्टेज को संभालने में उत्कृष्ट है और अगली पीढ़ी के पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक पसंदीदा विकल्प बनता जा रहा है। हालाँकि, जैसे-जैसे उपकरणों की मांग और अधिक प्रदर्शन की ओर बढ़ रही है, शोधकर्ता इस गैलियम ऑक्साइड में एल्युमीनियम मिलाने का प्रयास कर रहे हैं। यह मिश्रण एक नया पदार्थ बनाता है जिसमें बिजली के पार जाने के लिए अंतराल (gap) और भी चौड़ा हो जाता है, लेकिन यह डोपिंग के काम को बहुत कठिन भी बना देता है। चुनौती यह है कि जैसे-जैसे एल्युमीनियम की मात्रा बढ़ती है, वे परमाणु जो बिजली के प्रवाह में मदद करने के लिए होते हैं, अक्सर सिस्टम के विरुद्ध हो जाते हैं और करंट को रोकने वाले 'ट्रैप' (traps) बन जाते हैं। इन सामग्रियों को अधिक एल्युमीनियम-समृद्ध होने के बावजूद सुचालक बनाए रखने का तरीका खोजना उच्च-शक्ति तकनीक के भविष्य के लिए एक महत्वपूर्ण बाधा है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो विशिष्ट प्रकार के परमाणुओं, फ्लोरीन और क्लोरीन को करीब से देखकर इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया, ताकि यह देखा जा सके कि क्या वे इन मिश्रित सामग्रियों में विश्वसनीय सहायक के रूप में कार्य कर सकते हैं। शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, जो परमाणुओं के व्यवहार को उनके सबसे मौलिक स्तर पर मॉडल करते हैं, वैज्ञानिकों ने गैलियम और एल्युमीनियम ऑक्साइड के दो अलग-अलग क्रिस्टल संरचनाओं के भीतर इन हैलाइड अशुद्धियों के व्यवहार का परीक्षण किया। एक संरचना मानक 'मोनोक्लिनिक' (monoclinic) रूप है जो वर्तमान उपकरणों में पाई जाती है, जबकि दूसरी 'कोरुंड' (corundum) संरचना है, जो घड़ी के फेस और आभूषणों में उपयोग होने वाले नीलम (sapphire) के समान है। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या ये परमाणु 'डोनर' (donors) के रूप में स्थिर रहेंगे, यानी अपने इलेक्ट्रॉन पदार्थ को देंगे, या क्या वे अपना व्यवहार बदल लेंगे और ट्रैप की तरह कार्य करने लगेंगे—एक ऐसी घटना जिसे "डीएक्स सेंटर" (DX center) कहा जाता है जहाँ परमाणु क्रिस्टल को विकृत कर देता है और एक इलेक्ट्रॉन को पकड़ लेता है।

सिमुलेशन ने दोनों तत्वों के बीच एक स्पष्ट और आश्चर्यजनक अंतर प्रकट किया। फ्लोरीन, जो शुद्ध गैलियम ऑक्साइड में अच्छी तरह काम करता है, काफी अस्थिर साबित हुआ। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने मिश्रण में एल्युमीनियम की मात्रा बढ़ाई, फ्लोरीन परमाणुओं ने अपना स्वभाव बदलना शुरू कर दिया। मानक मोनोक्लिनिक संरचना में, फ्लोरीन ने 38 प्रतिशत एल्युमीनियम सांद्रता पहुँचने पर डोनर के बजाय एक ट्रैप के रूप में कार्य करना शुरू कर दिया। कोरुंड संरचना में, यह बदलाव 70 प्रतिशत की उच्च सांद्रता पर हुआ। एक बार जब फ्लोरीन एक ट्रैप बन जाता है, तो यह प्रभावी रूप से उस चालकता को रद्द कर देता है जो इसे प्रदान करनी थी, जिसे "सेल्फ-कंपनसेशन" (self-compensation) कहा जाता है। इसका अर्थ यह है कि जबकि फ्लोरीन शुद्ध गैलियम ऑक्साइड के लिए एक अच्छा विकल्प है, यह अत्यधिक उन्नत उपकरणों के लिए आवश्यक एल्युमीनियम-समृद्ध मिश्र धातुओं के लिए एक विश्वसनीय समाधान नहीं है।

हालाँकि, क्लोरीन ने एक बिल्कुल अलग कहानी सुनाई। सिमुलेशन ने दिखाया कि क्लोरीन अपने व्यवहार को बदलने के प्रति बहुत अधिक प्रतिरोधी है। मानक मोनोक्लिनिक संरचना में, क्लोरीन 50 प्रतिशत एल्युमीनियम सांद्रता तक एक स्थिर डोनर बना रहा। और भी उल्लेखनीय रूप से, कोरुंड संरचना में, क्लोरीन 84 प्रतिशत की चौंका देने वाली एल्युमीनियम सांद्रता तक एक डोनर के रूप में टिका रहा। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि यह सुझाव देती है कि क्लोरीन का उपयोग पहले की तुलना में बहुत अधिक एल्युमीनियम सामग्री वाले चालक पदार्थों को बनाने के लिए किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि जब ये परमाणु नियमित क्रिस्टल स्थानों के बीच के खाली स्थानों (interstitial sites) में फंस जाते हैं, तो क्या होता है। उन्होंने पाया कि हालांकि ये गलत स्थान पर स्थित परमाणु ट्रैप के रूप में कार्य कर सकते हैं, लेकिन वे वहां हमेशा के लिए नहीं फंसे रहते। उन्हें हिलने-डुलने के लिए आवश्यक ऊर्जा इतनी कम है कि सामग्री के विकसित होने के बाद एक साधारण हीटिंग प्रक्रिया इन अवांछित परमाणुओं को क्रिस्टल से बाहर निकलने या किसी हानिरहित स्थान पर जाने के लिए प्रोत्साहित कर सकती है, जिससे सामग्री साफ हो जाती है।

शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज शुद्ध एल्युमीनियम ऑक्साइड के बारे में है, एक ऐसा पदार्थ जिसका ऊर्जा अंतराल इतना चौड़ा है कि इसे आमतौर पर एक इंसुलेटर (कुचालक) माना जाता है, जिसका अर्थ है कि यह बिजली का संचालन बिल्कुल नहीं करता है। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि इस चरम वातावरण में भी, क्लोरीन एक डोनर के रूप में कार्य कर सकता है। कोरुंड रूप के शुद्ध एल्युमीनियम ऑक्साइड में, वह ऊर्जा स्तर जहाँ क्लोरीन एक इलेक्ट्रॉन छोड़ता है, मुक्त रूप से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों के बिंदु से केवल 0.48 इलेक्ट्रॉन वोल्ट नीचे स्थित है। हालांकि यह मानक सिलिकॉन चिप्स में उपयोग किए जाने वाले डोनर्स जितना उथला नहीं है, लेकिन इतने बड़े ऊर्जा अंतराल वाले पदार्थ के लिए यह उल्लेखनीय रूप से करीब है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि उच्च तापमान पर, इससे बिजली का एक मापने योग्य प्रवाह हो सकता है, जो एक ऐसे पदार्थ के लिए एक बड़ी उपलब्धि होगी जिसे आमतौर पर एक पूर्ण इंसुलेटर माना जाता है।

इन उत्साहजनक परिणामों के बावजूद, वास्तविक उपकरणों में क्लोरीन का उपयोग करने का मार्ग बाधाओं से रहित नहीं है। सिमुलेशन ने दिखाया कि पर्याप्त क्लोरीन परमाणुओं को वास्तव में क्रिस्टल के सही स्थानों पर बैठाना कठिन है क्योंकि इन विन्यासों (configurations) को बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा बहुत अधिक है। इसके अलावा, सामग्री में प्राकृतिक दोष, जैसे कि एल्युमीनियम परमाणुओं की कमी, आसानी से इलेक्ट्रॉनों को पकड़ सकते हैं और क्लोरीन के प्रभाव को बेअसर कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि सैद्धांतिक क्षमता मौजूद है, लेकिन शुद्ध एल्युमीनियम ऑक्साइड में वास्तविक चालकता प्राप्त करने के लिए इन निर्माण बाधाओं को पार करने और अन्य अशुद्धियों को हस्तक्षेप करने से रोकने की आवश्यकता होगी। फिर भी, यह अध्ययन क्लोरीन को इन वाइड-गैप सामग्रियों को डोप करने के लिए एक अनूठे और आशाजनक उम्मीदवार के रूप में पहचानता है। यह इन मिश्र धातुओं की क्षमताओं को बढ़ाने का एक तरीका प्रदान करता है, जिससे संभावित रूप से अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को सक्षम बनाया जा सकता है जो वर्तमान तकनीक की तुलना में उच्च वोल्टेज और अधिक चरम स्थितियों में काम कर सकें। यह कार्य प्रयोगात्मक वैज्ञानिकों के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है, जो सुझाव देता है कि जहाँ फ्लोरीन कम एल्युमीनियम सांद्रता तक सीमित हो सकता है, वहीं क्लोरीन एल्युमीनियम-समृद्ध गैलियम ऑक्साइड और यहाँ तक कि शुद्ध नीलम (sapphire) की पूर्ण क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी हो सकता है।

तकनीकी सारांश: मोनोक्लिनिक और कोरुंडम-फेज $\text{Ga}_2\text{O}_3$ तथा $\text{Al}_2\text{O}_3$ में हैलाइड डोनर्स

समस्या विवरण
मोनोक्लिनिक $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ अपने वाइड बैंड गैप और उच्च ब्रेकडाउन फील्ड के कारण पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक अग्रणी सामग्री है, फिर भी वाइडर-बैंड-गैप $(\text{Al}_x\text{Ga}_{1-x})_2\text{O}_3$ अलॉय में n-टाइप डोपिंग को नियंत्रित करना चुनौतीपूर्ण बना हुआ है। सिलिकॉन, जो सबसे सामान्य डोपेंट है, कुछ निश्चित एल्युमीनियम सांद्रता (जैसे, बल्क क्रिस्टल में >25%) से ऊपर n-टाइप चालकता प्रदान करने में विफल रहता है क्योंकि यह नेटिव डिफेक्ट्स या डीप-लेवल DX सेंटर्स द्वारा क्षतिपूर्ति (compensation) कर दिया जाता है। जबकि हैलाइड अशुद्धियाँ (F और Cl) $\text{SnO}_2$ जैसे अन्य ऑक्साइडों में प्रभावी डोपेंट के रूप में जानी जाती हैं, $\text{Ga}_2\text{O}_3$ और $\text{Al}_2\text{O}_3$ पॉलीमॉर्फ्स में उनके व्यवहार, विशेष रूप से बैंड गैप बढ़ने के साथ सेल्फ-कंपनसेशन और DX-सेंटर गठन के संबंध में, का व्यवस्थित रूप से अध्ययन नहीं किया गया है। इसके अलावा, डिवाइस प्रोसेसिंग (जैसे, एचिंग) के दौरान अनजाने में F और Cl का समावेश क्षतिपूर्ति के जोखिम पैदा करता है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखकों ने हाइब्रिड डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (HSE06) का उपयोग करते हुए व्यवस्थित फर्स्ट-प्रिंसिपल्स गणनाएं कीं, जिसमें मिक्सिंग पैरामीटर $\alpha = 0.32$ का उपयोग किया गया। इस अध्ययन में मोनोक्लिनिक ( $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ और $\theta\text{-Al}_2\text{O}_3$ ) और कोरुंडम ( $\alpha\text{-Ga}_2\text{O}_3$ और $\alpha\text{-Al}_2\text{O}_3$ ) फेजेस को शामिल किया गया।

स्ट्रक्चरल मॉडल्स: डिफेक्ट्स को मॉडल करने के लिए 120 परमाणुओं (मोनोक्लिनिक) और 60–360 परमाणुओं (कोरुंडम) के सुपरसेल्स बनाए गए।
डिफेक्ट एनालिसिस: कैटायन-रिच और ऑक्सीजन-रिच स्थितियों के तहत ऑक्सीजन सब्स्टिट्यूशनल साइट्स (O(I), O(II), O(III)) और इंटरस्टिशियल साइट्स पर F और Cl के लिए फॉर्मेशन एनर्जी की गणना की गई।
इलेक्ट्रॉनिक प्रॉपर्टीज: शालो डोनेटर्स, डीप एक्सेप्टर्स और DX सेंटर्स की पहचान करने के लिए चार्ज-स्टेट ट्रांजिशन लेवल्स ( $+/0$ , $0/-$ , $+/-$ ) और इफेक्टिव कोरिलेशन पैरामीटर्स ( $U$ ) निर्धारित किए गए।
काइनेटिक्स: इंटरस्टिशियल के माइग्रेशन बैरियर्स की गणना 'क्लाइंबिंग-इमेज नजेड एलास्टिक बैंड' (cNEB) विधि और वन-शॉट HSE गणनाओं के संयोजन से की गई।
अलॉय मॉडलिंग: $(\text{Al}_x\text{Ga}_{1-x})_2\text{O}_3$ के लिए, DX व्यवहार की शुरुआत ( $x_{\text{onset}}$ ) निर्धारित करने के लिए ट्रांजिशन लेवल्स और कंडक्शन बैंड मिनिमम (CBM) का इंटरपोलेशन बोइंग पैरामीटर्स का उपयोग करके किया गया।

मुख्य परिणाम

फ्लोरीन (F) व्यवहार:
- मोनोक्लिनिक फेज: ऑक्सीजन साइट्स पर F, $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ में एक शालो डोनेटर के रूप में कार्य करता है। हालांकि, $(\text{Al}_x\text{Ga}_{1-x})_2\text{O}_3$ में, F आसानी से DX सेंटर्स (नेगेटिव- $U$ व्यवहार) बनाता है जहाँ न्यूट्रल स्टेट अस्थिर होता है। सबसे स्थिर O(I) साइट के लिए सेल्फ-कंपनसेशन की शुरुआत 38% Al पर होती है।
- कोरुंडम फेज: F, $\alpha\text{-Ga}_2\text{O}_3$ में एक शालो डोनेटर बना रहता है, लेकिन $\alpha\text{-Al}_2\text{O}_3$ में 70% Al पर DX सेंटर्स बनाता है।
- इंटरस्टिशियल: F इंटरस्टिटियल्स ( $F_i$ ) सभी अध्ययन किए गए पदार्थों में कंपन्सेटिंग एक्सेप्टर्स के रूप में कार्य करते हैं। हालांकि, उनमें कम माइग्रेशन बैरियर्स (जैसे, $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ में [010] के साथ 0.48 eV) देखे गए हैं, जो यह सुझाव देते हैं कि उन्हें पोस्ट-ग्रोथ एनीलिंग के माध्यम से हटाया जा सकता है।
- कॉम्प्लेक्स: $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ में Si-F कॉम्प्लेक्स थर्मोडायनामिक रूप से अस्थिर हैं या आसानी से अलग हो जाते हैं (एक्टिवेशन एनर्जी ~0.98 eV), जिसका अर्थ है कि F, Si डोनेटर्स को महत्वपूर्ण रूप से पासिवेट नहीं करता है।
क्लोरीन (Cl) व्यवहार:
- मोनोक्लिनिक फेज: ऑक्सीजन साइट्स पर Cl, $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ में एक शालो डोनेटर है। F के विपरीत, Cl, DX-सेंटर गठन के प्रति अधिक प्रतिरोधी है। सबसे कम ऊर्जा वाला $\text{Cl}_{\text{O(I)}}$ , 50% Al तक (जहाँ $+/0$ लेवल CBM से नीचे गिर जाता है) एक विश्वसनीय शालो डोनेटर बना रहता है। अन्य साइट्स ( $\text{Cl}_{\text{O(II)}}$ , $\text{Cl}_{\text{O(III)}}$ ) क्रमशः 36% और 48% Al पर कम दक्षता दिखाती हैं।
- कोरुंडम फेज: Cl एक डोनेटर के रूप में उल्लेखनीय स्थिरता प्रदर्शित करता है। $\alpha\text{-Al}_2\text{O}_3$ (बैंड गैप ~9 eV) में, $\text{Cl}_{\text{O}}$ केवल 84% Al पर DX सेंटर बनाता है।
- शुद्ध $\text{Al}_2\text{O}_3$ में डीप डोनेटर: शुद्ध कोरुंडम-फेज $\alpha\text{-Al}_2\text{O}_3$ में भी, $\text{Cl}_{\text{O}}$ का ट्रांजिशन लेवल CBM से केवल 0.48 eV नीचे स्थित है। हालांकि यह पारंपरिक अर्थों में "शालो" डोनेटर नहीं है, फिर भी यह स्तर अवलोकन योग्य n-टाइप चालकता की अनुमति देने के लिए पर्याप्त निकट है, विशेष रूप से उच्च तापमान (जैसे, 600 K) पर।
- इंटरस्टिशियल: F की तरह ही, Cl इंटरस्टिटियल्स ( $\text{Cl}_i$ ) कंपन्सेटिंग एक्सेप्टर्स के रूप में कार्य करते हैं लेकिन उनमें कम माइग्रेशन बैरियर्स ( $\beta\text{-Ga}_2\text{O}_3$ में 0.26 eV) होते हैं, जिससे उन्हें एनीलिंग द्वारा हटाया जा सकता है।
फेजेस की तुलना:
- कोरुंडम फेज दोनों हैलाइड्स के लिए DX-सेंटर गठन होने से पहले मोनोक्लिनिक फेज की तुलना में उच्च Al सांद्रता का समर्थन करता है।
- दोनों फेजेस में, Cl को हाई-Al-कंटेंट अलॉय में F की तुलना में एक बेहतर डोनेटर उम्मीदवार के रूप में पहचाना गया है, क्योंकि इसमें सेल्फ-कंपनसेशन का आरंभ देरी से होता है।

महत्व और दावे
यह पेपर दावा करता है कि ये परिणाम क्लोरीन को $(\text{Al}_x\text{Ga}_{1-x})_2\text{O}_3$ अलॉय के लिए एक असामान्य रूप से आशाजनक डोनेटर उम्मीदवार के रूप में पहचानते हैं, जो बहुत उच्च Al सांद्रता और यहाँ तक कि शुद्ध $\text{Al}_2\text{O}_3$ तक विस्तृत है।

अलॉय के लिए: Cl, F या Si की तुलना में DX सेंटर्स के माध्यम से सेल्फ-कंपनसेशन सेट होने से पहले n-टाइप डोपिंग के लिए एक व्यापक विंडो प्रदान करता है।
शुद्ध $\text{Al}_2\text{O}_3$ के लिए: यह तथ्य कि $\text{Cl}_{\text{O}}$ का ट्रांजिशन लेवल ~9 eV बैंड गैप वाले पदार्थ में CBM से केवल 0.48 eV नीचे है, "असाधारण" बताया गया है। लेखक सुझाव देते हैं कि यह विशेष रूप से उच्च तापमान पर अवलोकन योग्य n-टाइप चालकता प्रदान कर सकता है।
सावधानियां (Caveats): लेखक स्पष्ट रूप से नोट करते हैं कि शुद्ध $\text{Al}_2\text{O}_3$ में वास्तविक n-टाइप चालकता प्राप्त करना $\text{Cl}_{\text{O}}$ की उच्च फॉर्मेशन एनर्जी और नेटिव डिफेक्ट्स (विशेष रूप से एल्युमीनियम रिक्तियां, $V_{\text{Al}}$ ) और इंटरस्टिटियल्स द्वारा अनिवार्य रूप से होने वाली क्षतिपूर्ति के कारण कठिन होगा। हालांकि, वे तर्क देते हैं कि नॉन-इक्विलिब्रियम इनकॉरपोरेशन विधियां इस डोनेटर व्यवहार को प्रदर्शित करने की अनुमति दे सकती हैं।
प्रोसेस इम्प्लिकेशंस: दोनों हैलाइड इंटरस्टिटियल्स के कम माइग्रेशन बैरियर्स यह सुझाव देते हैं कि प्रोसेसिंग के दौरान अनजाने में होने वाले समावेश को पोस्ट-ग्रोथ एनीलिंग के माध्यम से कम किया जा सकता है।

निष्कर्षतः, यह अध्ययन वाइड-बैंड-गैप ऑक्साइड सेमीकंडक्टर्स में Cl डोपिंग के अन्वेषण के लिए एक सैद्धांतिक आधार प्रदान करता है, जो हाई-Al-कंटेंट $(\text{Al}_x\text{Ga}_{1-x})_2\text{O}_3$ में सिलिकॉन के साथ देखी गई डोपिंग सीमाओं को पार करने की इसकी क्षमता को रेखांकित करता है।

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