Growth of superconducting boron doped diamond on 4inch silicon wafers

हीरा आमतौर पर सबसे कठोर प्राकृतिक पदार्थ के रूप में जाना जाता है, एक ऐसा रत्न जो ऊष्मा का शानदार संचालन करता है लेकिन बिजली को पूरी तरह से रोकता है। हालाँकि, जब वैज्ञानिक हीरे की क्रिस्टल संरचना में थोड़ी मात्रा में बोरॉन मिलाते हैं, तो सामग्री का स्वरूप पूरी तरह से बदल जाता है। एक इंसुलेटर (कुचालक) के रूप में कार्य करने के बजाय, हीरा धातु की तरह बिजली का संचालन करने लगता है। यदि पर्याप्त मात्रा में बोरॉन मिला दिया जाए, तो सामग्री बहुत कम तापमान पर एक उल्लेखनीय परिवर्तन से गुजरती है और 'सुपरकंडक्टिविटी' (अतिचालकता) नामक अवस्था में प्रवेश करती है। इस अवस्था में, बिजली बिना किसी प्रतिरोध के सामग्री के माध्यम से बहती है, जिसका अर्थ है कि ऊर्जा ऊष्मा के रूप में नष्ट नहीं होती है। यह गुण सुपरकंडक्टिंग हीरे को उन्नत इलेक्ट्रॉनिक उपकरण, जैसे कि अत्यंत संवेदनशील सेंसर और क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है, बशर्ते कि इस सामग्री को बड़ी, उपयोगी शीटों के रूप में उगाया जा सके।

वर्षों से, शोधकर्ता इन सुपरकंडक्टिंग डायमंड फिल्मों को छोटे सिलिकॉन वेफर्स पर सफलतापूर्वक उगा रहे हैं, जो आमतौर पर दो इंच चौड़े होते हैं। हालांकि यह आकार परीक्षण और छोटे प्रोटोटाइप के लिए पर्याप्त है, लेकिन वाणिज्यिक उपकरणों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए यह बहुत छोटा है। इन सामग्रियों को वास्तविक दुनिया की तकनीक के लिए व्यावहारिक बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को उन्हें बहुत बड़ी सतहों पर उगाने की आवश्यकता है, जैसे कि चार इंच के वेफर्स, जो सेमीकंडक्टर उद्योग में उपयोग किए जाने वाले मानक आकार हैं। चुनौती इस तथ्य में निहित है कि डायमंड फिल्म उगाने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया, जिसे केमिकल वेपर डिपोजिशन (chemical vapour deposition) कहा जाता है, सतह का आकार बदलने पर हमेशा एक जैसा व्यवहार नहीं करती है। जो स्थितियाँ एक छोटे घेरे पर पूरी तरह से काम करती हैं, वे एक बड़े घेरे पर विफल हो सकती हैं या असमान परिणाम दे सकती हैं। कार्डिफ यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं के एक दल ने इस समस्या को हल करने के प्रयास में चार इंच के सिलिकॉन वेफर्स पर सुपरकंडक्टिंग बोरॉन-डोप्ड डायमंड फिल्में उगाने का लक्ष्य रखा, ताकि यह देखा जा सके कि क्या वे पूरी सतह पर उच्च-गुणवत्ता वाला प्रदर्शन बनाए रख सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने नई फिल्म को समान रूप से उगाने के लिए डायमंड सीड्स (हीरे के बीजों) की एक परत के साथ सिलिकॉन वेफर्स को तैयार करके शुरुआत की। फिर उन्होंने इन वेफर्स को एक विशेष चैंबर में रखा जहाँ उन्होंने उन्हें लगभग 800 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया और उन्हें हाइड्रोजन और मीथेन गैस के प्लाज्मा से नहलाया। सुपरकंडक्टिंग सामग्री बनाने के लिए, उन्होंने गैस मिश्रण में बोरॉन पेश किया। उन्होंने बोरॉन की मात्रा के एक विस्तृत दायरे का परीक्षण किया, जिसमें कम मात्रा से शुरुआत की गई और धीरे-धीरे इसे बढ़ाया गया ताकि यह देखा जा सके कि सामग्री कैसे प्रतिक्रिया देती है। लक्ष्य उस सटीक "स्वीट स्पॉट" (अनुकूल बिंदु) को खोजना था जहाँ बोरॉन की मात्रा इतनी अधिक हो कि सुपरकंडक्टिविटी को ट्रिगर कर सके, लेकिन इतनी अधिक भी न हो कि क्रिस्टल संरचना को नुकसान पहुँचे। उन्होंने छह अलग-अलग फिल्में उगाईं, जिनमें से प्रत्येक में गैस में कार्बन के अनुपात में बोरॉन का एक अलग स्तर था, जो लगभग 6,500 पीपीएम (parts per million) से लेकर 36,000 पीपीएम से अधिक तक था।

जब टीम ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे इन नई फिल्मों की सतह का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि भौतिक बनावट उल्लेखनीय रूप से सुसंगत रही। गैस में कितना भी बोरॉन मिलाया गया हो, डायमंड फिल्म बनाने वाले छोटे दाने (grains) लगभग एक ही आकार के रहे, जो 240 से 270 नैनोमीटर के बीच थे। यह एक महत्वपूर्ण पहला कदम था, क्योंकि इसका अर्थ था कि केवल अधिक बोरॉन जोड़ने से फिल्म की चिकनाई या संरचना खराब नहीं हुई। हालाँकि, असली परीक्षण यह था कि क्या फिल्में वास्तव में बिना प्रतिरोध के बिजली का संचालन कर सकती हैं। शोधकर्ताओं ने नमूनों को परम शून्य (absolute zero) से केवल दो डिग्री ऊपर तक ठंडा किया और उनके विद्युत गुणों को मापा। उन्होंने पाया कि सबसे कम बोरॉन सांद्रता वाली फिल्म बिल्कुल भी सुपरकंडक्टिंग नहीं बन पाई। हालाँकि, अगली निम्न सांद्रता से लेकर उच्चतम सांद्रता तक की हर अन्य फिल्म ने सफलतापूर्वक सुपरकंडक्टिंग अवस्था में प्रवेश किया।

सबसे रोमांचक खोज यह थी कि जिस तापमान पर सामग्री सुपरकंडक्टिंग बनी, वह बोरॉन की मात्रा के साथ कैसे बदल गया। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने गैस में बोरॉन बढ़ाया, वह तापमान जिस पर फिल्म सुपरकंडक्टिंग बनी, लगातार बढ़ता गया। इसने लगभग 24,700 पीपीएम के गैस अनुपात वाली फिल्म में अपने शिखर प्रदर्शन को प्राप्त किया, जहाँ सामग्री 4.03 केल्विन पर सुपरकंडक्टिंग बन गई। इस प्रकार की सामग्री के लिए यह एक महत्वपूर्ण तापमान है, क्योंकि यह उस वक्र (curve) का उच्चतम बिंदु है जहाँ से प्रदर्शन गिरना शुरू होता है। जब उन्होंने इस बिंदु से अधिक बोरॉन जोड़ा, तो सुपरकंडक्टिंग तापमान फिर से गिरने लगा। यह हमें बताता है कि सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त करने के लिए बोरॉन की एक इष्टतम मात्रा आवश्यक है; बहुत अधिक जोड़ने से वास्तव में सामग्री की बिना हानि के बिजली संचालित करने की क्षमता कम हो जाती है। सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करने वाली फिल्म 3 टेस्ला से अधिक के मजबूत चुंबकीय क्षेत्र को भी सहन कर सकती थी, जो कई इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये परिणाम वेफर के किसी एक स्थान का संयोग मात्र नहीं हैं, टीम ने सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाली फिल्म से केंद्र, मध्य और किनारे से टुकड़े काटे ताकि यह देखा जा सके कि क्या गुणवत्ता पूरे चार इंच के घेरे में समान है। उन्होंने पाया कि सुपरकंडक्टिंग गुण वास्तव में हर जगह मौजूद थे, लेकिन वे पूरी तरह से एक समान नहीं थे। वेफर के मध्य भाग से लिए गए टुकड़े ने सबसे अच्छा प्रदर्शन किया, जो 4.19 केल्विन पर सुपरकंडक्टिंग बना। केंद्र वाला टुकड़ा 4.02 केल्विन के साथ उसके बहुत करीब था। हालाँकि, वेफर के किनारे से लिए गए टुकड़े ने उल्लेखनीय गिरावट दिखाई, जो केवल 3.33 केल्विन पर सुपरकंडक्टिंग बना। यह भिन्नता बताती है कि हालांकि पूरे चार इंच के वेफर को सुपरकंडक्टिंग बनाया जा सकता है, लेकिन किनारे की स्थितियाँ मध्य की तुलना में थोड़ी कम अनुकूल हैं। शोधकर्ताओं ने रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (Raman spectroscopy) नामक तकनीक का उपयोग करके इसकी पुष्टि की, जो लेजर प्रकाश का उपयोग करके यह मापता है कि हीरे के अंदर वास्तव में कितना बोरॉन है। माप से पता चला कि बोरॉन की सांद्रता मध्य भाग में उच्चतम और किनारे पर निम्न थी, जो सुपरकंडक्टिंग प्रदर्शन के पैटर्न से पूरी तरह मेल खाती है।

जब टीम ने अपने परिणामों की तुलना छोटे दो-इंच वेफर्स पर किए गए पिछले कार्यों से की, तो एक स्पष्ट अंतर सामने आया। छोटे वेफर्स पर, गैस में बोरॉन की बहुत कम मात्रा के साथ सर्वोत्तम सुपरकंडक्टिंग गुण प्राप्त किए गए थे। बड़े चार-इंच वेफर्स पर समान उच्च-गुणवत्ता वाले परिणाम प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं को काफी उच्च बोरॉन सांद्रता वाले गैस मिश्रणों का उपयोग करना पड़ा। यह इंगित करता है कि हीरे के क्रिस्टल में बोरॉन डालने की प्रक्रिया बड़े क्षेत्र में होने पर कम कुशल हो जाती है। यह संभव है कि फिल्म उगाने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्लाज्मा का ऊर्जा घनत्व (energy density) बड़े सतह क्षेत्र पर बहुत अधिक फैल जाता है, जिससे वह छोटे घेरे की तुलना में बोरॉन को प्रभावी ढंग से शामिल नहीं कर पाता। इस चुनौती के बावजूद, तथ्य यह है कि वे एक बड़ा सुपरकंडक्टिंग फिल्म उगा सके जो चार इंच के वेफर के एक बड़े हिस्से को कवर करता है, एक बड़ी प्रगति है। यह सिद्ध करता है कि इन सामग्रियों को बड़े पैमाने पर निर्माण के लिए तैयार किया जा सकता है, भले ही इसके लिए रेसिपी (विधि) को बड़े आकार के अनुसार समायोजित करने की आवश्यकता हो।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि बड़े वेफर्स पर सुपरकंडक्टिंग डायमंड उगाना संभव है, लेकिन इसके लिए बड़े पैमाने पर विकास प्रक्रिया की कम दक्षता की भरपाई करने के लिए बोरॉन की आपूर्ति का सावधानीपूर्वक ट्यूनिंग (समायोजन) आवश्यक है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि एक बड़े क्षेत्र की सुपरकंडक्टिंग सामग्री बनाना संभव है, जो अधिक जटिल और बड़े उपकरणों के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करता है। सफलता की कुंजी बोरॉन सांद्रता का प्रबंधन करने और यह सुनिश्चित करने में निहित है कि इसे वेफर पर यथासंभव समान रूप से वितरित किया जाए। इन विशिष्ट चुनौतियों की पहचान करके, यह कार्य भविष्य के सुधारों के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, जो इस तकनीक को प्रयोगशाला के बेंच से अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आवश्यक उत्पादन लाइनों की ओर ले जाता है।