Engineering Ferromagnetism in Wide Bandgap w-AlN for Spintronic Applications: Insights from DFT Calculations

इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया वर्तमान में एक दीवार से टकरा रही है। दशकों से, हमारे उपकरण छोटे और तेज़ होने के लिए सूक्ष्म स्थानों में अधिक विद्युत आवेश (इलेक्ट्रिकल चार्ज) को समाहित करते रहे हैं, लेकिन यह दृष्टिकोण गर्मी पैदा करता है और भारी मात्रा में ऊर्जा की खपत करता है। स्पिंट्रोनिक्स नामक एक नया क्षेत्र इस बाधा को तोड़ने का एक तरीका प्रदान करता है। केवल सूचना ले जाने के लिए इलेक्ट्रॉन के विद्युत आवेश का उपयोग करने के बजाय, स्पिंट्रोनिक्स "स्पिन" नामक एक गुण का उपयोग करता है, जो कोणीय संवेग (एंगुलर मोमेंटम) का एक अंतर्निहित रूप है जो इलेक्ट्रॉनों को छोटे चुंबकों की तरह व्यवहार करने पर मजबूर करता है। इस स्पिन को नियंत्रित करके, इंजीनियर ऐसी डिवाइस बनाने की उम्मीद करते हैं जो तेज़ हों, कम बिजली का उपयोग करें, और निरंतर बिजली आपूर्ति की आवश्यकता के बिना डेटा स्टोर कर सकें। इस तकनीक के लिए 'होली ग्रेल' (सर्वश्रेष्ठ लक्ष्य) एक ऐसा पदार्थ है जो एक अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) भी हो, जैसे कि हमारे कंप्यूटर चिप्स में मौजूद सिलिकॉन, और एक चुंबक भी, लेकिन जो कमरे के तापमान पर काम कर सके। ऐसे पदार्थ को खोजना कठिन है क्योंकि अधिकांश चुंबकीय धातुएं बिजली की कुचालक होती हैं, और अधिकांश अर्धचालक चुंबकीय नहीं होते हैं।

शोधकर्ता चुंबकीय परमाणुओं की सूक्ष्म मात्रा को वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर्स में मिलाकर समाधान खोजने की कोशिश कर रहे हैं, जो ऐसे पदार्थ हैं जो मानक सिलिकॉन की तुलना में उच्च वोल्टेज और तापमान को बेहतर ढंग से संभाल सकते हैं। एक आशाजनक उम्मीदवार एल्युमीनियम नाइट्राइड है, जो एक कठोर, ताप-प्रतिरोधी पदार्थ है जिसका उपयोग पराबैंगनी (यूवी) लाइटों से लेकर पावर इलेक्ट्रॉनिक्स तक सब कुछ में किया जाता है। प्रश्न यह है कि क्या एल्युमीनियम नाइट्राइड में विशिष्ट चुंबकीय परमाणुओं को जोड़ने से यह एक आदर्श स्पिंट्रोनिक सामग्री बन सकता है। भारत के इंदिरा गांधी सेंटर फॉर एटॉमिक रिसर्च में चिन्नप्पन रवि द्वारा किए गए एक हालिया अध्ययन ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। टीम ने तीन अलग-अलग चुंबकीय परमाणुओं पर ध्यान केंद्रित किया: क्रोमियम, रूथेनियम और रोडियम। वे यह देखना चाहते थे कि क्या ये परमाणु एल्युमीनियम नाइट्राइड के क्रिस्टल ढांचे में व्यवस्थित हो सकते हैं, उनका विद्युत आवेश क्या होगा, और क्या वे एक स्थिर चुंबकीय अवस्था बनाने के लिए अपने स्पिन को संरेखित करेंगे जिसका उपयोग भविष्य के उपकरणों में किया जा सके।

शोधकर्ताओं ने एल्युमीनियम नाइट्राइड क्रिस्टल के विस्तृत आभासी मॉडल बनाए, जिसमें एल्युमीनियम परमाणुओं के एक छोटे प्रतिशत को तीन अलग-अलग चुंबकीय तत्वों से बदल दिया गया। उन्होंने विभिन्न स्तरों पर डोपिंग के व्यवहार को देखने के लिए दो प्रतिशत से कम से लेकर लगभग सत्रह प्रतिशत तक की सांद्रता (कॉन्सेंट्रेशन) का परीक्षण किया। पहला कदम यह निर्धारित करना था कि इन परमाणुओं का कौन सा रूप क्रिस्टल के भीतर सबसे स्थिर होगा। सिमुलेशन ने भविष्यवाणी की कि क्रोमियम सबसे अधिक संभावना एक विशिष्ट इलेक्ट्रॉन विन्यास के साथ धनावेशित आयन के रूप में मौजूद होगा, जबकि रूथेनियम और रोडियम अपने स्वयं के विशिष्ट आवेशित अवस्थाओं में व्यवस्थित होंगे। यह चरण महत्वपूर्ण था क्योंकि पदार्थ का व्यवहार पूरी तरह से इन परमाणुओं के विशिष्ट रूपों पर निर्भर करता है। एक बार सबसे स्थिर रूपों की पहचान हो जाने के बाद, टीम ने यह देखने के लिए सिमुलेशन चलाया कि क्या परमाणु स्वाभाविक रूप से अपने स्पिन को एक ही दिशा में संरेखित करेंगे, जिससे एक फेरोमैग्नेटिक (लौहचुंबकीय) अवस्था बनेगी, या वे एक एंटी-फेरोमैग्नेटिक (प्रति-लौहचुंबकीय) अवस्था में एक-दूसरे को रद्द कर देंगे।

परिणामों ने तीनों तत्वों के बीच एक स्पष्ट विभाजन दिखाया। सिमुलेशन ने दिखाया कि जब एल्युमीनियम नाइट्राइड में क्रोमियम मिलाया गया, तो पदार्थ ने दृढ़ता से फेरोमैग्नेटिक बनने की प्राथमिकता दिखाई। इसका अर्थ है कि क्रोमियम परमाणुओं के चुंबकीय क्षण (मैग्नेटिक मोमेंट्स) एक ही दिशा में संरेखित हुए, जिससे पूरे क्रिस्टल में एक स्थिर चुंबकीय क्षेत्र बना। यह प्राथमिकता परीक्षण किए गए निम्नतम स्तरों से लेकर उच्चतम स्तरों तक, सांद्रता की पूरी सीमा में बनी रही। इसके विपरीत, रूथेनियम और रोडियम के लिए सिमुलेशन ने एक अलग कहानी बताई। इन दो तत्वों के लिए, चुंबकीय परमाणु फेरोमैग्नेटिक तरीके से संरेखित नहीं होना चाहते थे। इसके बजाय, वे अधिक स्थिर थे जब उनके स्पिन इस तरह व्यवस्थित थे कि वे कुल चुंबकत्व को रद्द कर देते थे, या जब वे पूरी तरह से चुंबक के रूप में कार्य करना बंद कर देते थे। रूथेनियम या रोडियम को चुंबकीय अवस्था में लाने के लिए आवश्यक ऊर्जा, उनकी गैर-चुंबकीय या गैर-संरेखित अवस्थाओं की ऊर्जा से काफी अधिक थी, जो यह सुझाव देता है कि ये दो तत्व एल्युमीनियम नाइट्राइड पर आधारित चुंबकीय अर्धचालक बनाने के लिए उपयुक्त नहीं होंगे।

अध्ययन ने इस बात पर भी बारीकी से नज़र रखी कि क्रोमियम के जुड़ने से सामग्री के विद्युत गुण कैसे बदलते हैं। कम सांद्रता पर, सामग्री एक इंसुलेटर (कुचालक) बनी रही, जिसका अर्थ है कि यह बिजली का संचालन नहीं करती है, जिसमें ऊर्जा स्तरों में एक अंतराल (गैप) होता है जहाँ इलेक्ट्रॉन मौजूद नहीं हो सकते। जैसे-जैसे क्रोमियम की सांद्रता बढ़कर सात से तेरह प्रतिशत के बीच हुई, पदार्थ एक आकर्षक परिवर्तन से गुजरा। यह एक 'हाफ-मेटल' (अर्ध-धातु) बन गया, जो एक दुर्लभ अवस्था है जहाँ सामग्री एक स्पिन दिशा वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए बिजली का संचालन करती है लेकिन दूसरी दिशा के लिए इंसुलेटर के रूप में कार्य करती है। यह स्पिंट्रोनिक उपकरणों के लिए एक आदर्श गुण है क्योंकि यह स्पिन-पोलराइज्ड करंट पर पूर्ण नियंत्रण की अनुमति देता है। हालाँकि, यदि सांद्रता को सत्रह प्रतिशत के करीब बढ़ाया गया, तो पदार्थ ने यह विशेष गुण खो दिया और एक सामान्य धातु बन गया, जो दोनों स्पिन दिशाओं के लिए बिजली का संचालन करता है। क्रोमियम परमाणुओं के बीच परस्पर क्रिया के कारण इंसुलेटर से हाफ-मेटल और फिर सामान्य धातु तक का यह क्रमिक विकास, बढ़ते हुए क्रोमियम परमाणुओं द्वारा संचालित एक स्पष्ट, चरण-दर-चरण विकास था।

रूथेनियम और रोडियम प्रणालियों के लिए, कहानी कम आशाजनक थी। सिमुलेशन ने दिखाया कि ये सामग्रियां एक व्यवस्थित प्रगति का पालन नहीं करती हैं। इसके बजाय, वे सांद्रता के आधार पर इंसुलेटिंग और मेटालिक व्यवहारों के बीच अनिश्चित रूप से बदलती रहीं, लेकिन वे कभी भी स्पिंट्रोनिक्स के लिए आवश्यक स्थिर, उच्च-स्पिन चुंबकीय अवस्था प्राप्त नहीं कर सकीं। रूथेनियम परमाणु अपने इलेक्ट्रॉनों को पूरी तरह से युग्मित (पेयर) करने की प्रवृत्ति रखते थे, जिससे प्रभावी रूप से उनके चुंबकीय क्षण समाप्त हो जाते थे और सामग्री गैर-चुंबकीय रह जाती थी। रोडियम ने भी इसी तरह व्यवहार किया, और एक बार जब क्रिस्टल में एक से अधिक परमाणु मौजूद थे, तो उन्होंने एक स्थिर, गैर-चुंबकीय अवस्था बनाने के लिए अपने इलेक्ट्रॉनों को युग्मित कर दिया। एकमात्र अपवाद एक बड़े क्रिस्टल में एक अकेला रोडियम परमाणु था, जिसने एक कमजोर चुंबकीय प्राथमिकता दिखाई, लेकिन जैसे ही अधिक परमाणु जोड़े गए, यह प्रभाव गायब हो गया। ये निष्कर्ष बताते हैं कि जबकि क्रोमियम-डोप्ड एल्युमीनियम नाइट्राइड भविष्य के स्पिंट्रोनिक अनुप्रयोगों के लिए एक मजबूत उम्मीदवार है, रूथेनियम और रोडियम इस विशिष्ट उद्देश्य के लिए अनुपयुक्त हैं।

शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि ये निष्कर्ष कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं, जो शक्तिशाली उपकरण हैं जो परमाणु स्तर पर पदार्थों के व्यवहार की भविष्यवाणी कर सकते हैं, लेकिन वे भौतिक प्रयोगों का विकल्प नहीं हैं। गणनाओं ने इलेक्ट्रॉनों और क्रिस्टल संरचना के बीच जटिल अंतःक्रियाओं को ध्यान में रखा, और परिणामों को मॉडल की सीमाओं के भीतर विश्वसनीय सुनिश्चित करने के लिए स्थापित विधियों का उपयोग किया। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि क्रोमियम, एल्युमीनियम नाइट्राइड से चुंबकीय अर्धचालक बनाने के लिए सबसे व्यवहार्य डोपेंट है, बशर्ते कि सामग्री को परमाणुओं की सही सांद्रता के साथ विकसित किया जा सके। हालांकि वाणिज्यिक उपकरण बनाने का मार्ग अभी भी प्रायोगिक सत्यापन और विशिष्ट सांद्रता प्राप्त करने के लिए नई विकास तकनीकों के विकास की मांग करता है, यह कार्य एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है। यह वैज्ञानिकों को बताता है कि उन्हें किस तत्व का उपयोग करना है, किस चार्ज स्टेट की तलाश करनी है, और कंप्यूटर स्क्रीन से प्रयोगशाला बेंच तक जाने पर किन विद्युत गुणों की अपेक्षा करनी है।