Monolithic Vertically Stacked Carbon Nanotube Transistor with Emergent Negative Transconductance for Ternary Logic
यह शोधपत्र एक मोनोलिथिक रूप से वर्टिकल रूप से स्टैक्ड कार्बन नैनोट्यूब ट्रांजिस्टर को प्रदर्शित करता है जो विपरीत चैनल प्रतिक्रियाओं के माध्यम से उभरते हुए नकारात्मक ट्रांसकंडक्टेंस को प्रदर्शित करता है, जिससे उन्नत लॉजिक अनुप्रयोगों के लिए एक उच्च-लाभ वाले टेनरी इन्वर्टर का निर्माण संभव होता है।
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आधुनिक कंप्यूटर दो की एक भाषा बोलते हैं: चालू या बंद, शून्य या एक। यह बाइनरी प्रणाली, जो प्रत्येक प्रोसेसर के मूल में बसी है, दशकों से डिजिटल युग को शक्ति प्रदान कर रही है। फिर भी, जैसे-जैसे इंजीनियर इस बात की सीमाओं को बढ़ा रहे हैं कि ये मशीनें कितनी छोटी और तेज़ हो सकती हैं, वे एक दीवार से टकरा रहे हैं। सुधार जारी रखने के लिए, कुछ शोधकर्ता एक अलग प्रकार के तर्क (लॉजिक) की ओर देख रहे हैं, जो दो के बजाय तीन अवस्थाओं का उपयोग करता है। कल्पना कीजिए कि एक लाइट स्विच है जो केवल चालू या बंद होने के बजाय, मंद या उज्ज्वल भी हो सकता है। यह अतिरिक्त अवस्था एक एकल तार को अधिक जानकारी ले जाने की अनुमति देती है, जिससे भविष्य के सर्किट संभावित रूप से छोटे और अधिक कुशल बन सकते हैं। हालाँकि, ऐसे उपकरण बनाना जो बिना अतिरिक्त जटिलता या नई सामग्रियों के इन तीन अलग-अलग अवस्थाओं को विश्वसनीय रूप से बनाए रख सकें, कठिन साबित हुआ है।
दक्षिण कोरिया के कुकमिन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक ही प्रकार की सामग्री का उपयोग करके, एक चतुर ऊर्ध्वाधर स्टैक (vertical stack) में ऐसा उपकरण बनाने का तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक ट्रांजिस्टर बनाया, जो इलेक्ट्रॉनिक्स का मौलिक स्विच है, जो स्वाभाविक रूप से एक विशिष्ट विद्युत व्यवहार उत्पन्न करता है जिसे 'नेगेटिव ट्रांसकंडक्टेंस' (negative transconductance) कहा जाता है। सरल शब्दों में, इसका अर्थ यह है कि जैसे-जैसे आप बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए वोल्टेज बढ़ाते हैं, उपकरण के माध्यम से बहने वाली धारा वास्तव में बढ़ने से पहले वास्तव में गिर जाती है, जिससे इसके प्रदर्शन वक्र (performance curve) में एक अनूठा उभार आता है। यह आकार ठीक वही है जो तीन-मूल्य वाले तर्क (three-valued logic) के लिए एक स्थिर मध्य अवस्था को परिभाषित करने हेतु आवश्यक है। कार्बन नैनोट्यूब—जो कार्बन परमाणुओं के छोटे, खोखले सिलेंडरों से बनी एक सामग्री है—की दो परतों को एक के ऊपर एक रखकर और उन्हें एक साझा गेट के माध्यम से जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक एकल ट्रांजिस्टर तैयार किया जो उस तरह से व्यवहार करता है जैसा कि उनकी व्यक्तिगत परतें अकेले नहीं कर सकती थीं।
यह उपकरण एक ऐसी प्रक्रिया पर निर्भर करता है जो इस बात का लाभ उठाती है कि चीजों को किस क्रम में बनाया जाता है। शोधकर्ताओं ने पहले कार्बन नैनोट्यूब की एक निचली परत बिछाई और एक विशेष इन्सुलेटिंग सामग्री वाली उच्च-तापमान प्रक्रिया के साथ इसका उपचार किया। इस उपचार ने निचली परत के विद्युत व्यक्तित्व को बदल दिया, जिससे वह धनात्मक और ऋणात्मक दोनों आवेशों को संचालित करने में सक्षम हो गई, हालांकि वह ऋणात्मक आवेशों की ओर अधिक झुकाव रखती थी। इसके बाद, उन्होंने इस परत के ऊपर एक गेट इलेक्ट्रोड बनाया और फिर कार्बन नैनोट्यूब की दूसरी, ऊपरी परत जमा की। महत्वपूर्ण रूप से, ऊपरी परत को उच्च-तापमान चरणों के समाप्त होने के बाद जोड़ा गया था, इसलिए इसने उस गर्मी का अनुभव कभी नहीं किया जिसने निचली परत को बदल दिया था। परिणामस्वरूप, ऊपरी परत ने अपना मूल व्यक्तित्व बनाए रखा, जो मुख्य रूप से धनात्मक आवेशों के माध्यम से बिजली का संचालन करती है।
जब शोधकर्ताओं ने दोनों परतों को नियंत्रित करने वाले एक साझा गेट को वोल्टेज लगाया, तो कुछ अप्रत्याशित हुआ। क्योंकि दोनों परतें एक ही वोल्टेज के प्रति अलग-अलग प्रतिक्रिया दे रही थीं, इसलिए विद्युत धारा का अवरोध (bottleneck) बारी-बारी से उनके बीच स्थानांतरित होता रहा। शुरुआत में, निचली परत ने प्रवाह को प्रतिबंधित किया। जैसे-जैसे वोल्टेज बदला, निचली परत खुली, जिससे अधिक करंट प्रवाहित होने लगा, जिसने प्रवाह में एक शिखर (peak) बनाया। लेकिन जैसे-जैसे वोल्टेज और बदला, ऊपरी परत ने प्रवाह को प्रतिबंधित करना शुरू कर दिया, जिससे करंट फिर से गिरने लगा। इस उतार-चढ़ाव ने वक्र में आवश्यक गिरावट पैदा की, जो एक ऐसी विशेषता है जो इसकी किसी भी व्यक्तिगत परत में मौजूद नहीं है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रभाव को सटीक रूप से ट्यून करने के लिए वे चैनलों की लंबाई और ऊपरी परत में नैनोट्यूब के घनत्व को समायोजित कर सकते हैं। उनके सर्वश्रेष्ठ उपकरणों में, शिखर पर करंट, डिप (गिरावट) पर करंट की तुलना में दस हजार गुना से अधिक मजबूत था, जो एक विश्वसनीय लॉजिक स्विच बनाने के लिए एक आवश्यक अनुपात है।
इस अवधारणा को एक वास्तविक सर्किट में काम करने योग्य सिद्ध करने के लिए, टीम ने एक सरल इन्वर्टर बनाया, जो एक बुनियादी लॉजिक गेट है जो इनपुट सिग्नल को उलट देता है। उन्होंने अपने नए वर्टिकल ट्रांजिस्टर को एक मानक ट्रांजिस्टर के साथ जोड़ा जो केवल ऋणात्मक आवेशों का संचालन करता है। जब उन्होंने सर्किट को तीन अलग-अलग इनपुट वोल्टेज के साथ फीड किया जो लॉजिक अवस्थाओं शून्य, एक और दो का प्रतिनिधित्व करते थे, तो आउटपुट ने तीन अलग-अलग, स्थिर वोल्टेज स्तरों के साथ प्रतिक्रिया दी। उपकरण ने मध्य अवस्था को सफलतापूर्वक बनाए रखा, जो तीन-मूल्य वाले तर्क में सबसे कठिन हिस्सा है। शोधकर्ताओं ने इन अवस्थाओं की स्थिरता को मापा और पाया कि मध्य स्तर इतना मजबूत था कि वह छोटे विद्युत शोर (noise) का प्रतिरोध कर सके, जो किसी भी व्यावहारिक कंप्यूटर घटक के लिए एक प्रमुख आवश्यकता है। इसके अलावा, क्योंकि दोनों परतों को अगल-बगल के बजाय लंबवत (vertically) रूप से स्टैक किया गया था, इसलिए पूरा इन्वर्टर पारंपरिक डिज़ाइन की तुलना में चिप पर लगभग पच्चीस प्रतिशत कम जगह घेरता था।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि विशिष्ट क्रम में सामग्रियों को स्टैक करने से नई सामग्रियों या जटिल बाहरी नियंत्रणों की आवश्यकता के बिना नए विद्युत कार्य उत्पन्न किए जा सकते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि ऊर्ध्वाधर व्यवस्था स्वयं, और कैसे परतों को संसाधित किया गया उसके इतिहास के संयोजन से, उपकरण के ट्रांसफर फंक्शन को इंजीनियर किया जा सकता है। हालांकि टीम ने पूर्ण कंप्यूटर प्रोसेसर नहीं बनाया, लेकिन उन्होंने एकल सेमीकंडक्टर सामग्री का उपयोग करके तीन-मूल्य वाले तर्क के निर्माण खंडों को बनाने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग स्थापित किया। उनके निष्कर्ष बताते हैं कि निर्माण चरणों के अनुक्रम को सावधानीपूर्वक प्रबंधित करके, इंजीनियर सरल सामग्रियों को जटिल कार्यों को करने के लिए प्रेरित कर सकते हैं, जो संभावित रूप से कॉम्पैक्ट और कुशल कंप्यूटिंग आर्किटेक्चर की एक नई पीढ़ी के द्वार खोल सकते हैं।
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