संशोधकांनी विकसित केले स्थिर, कमी ऊर्जा वापरणारे ट्रानसिस्टर बनवण्याचे नवीन तंत्र 

इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे आकाराने लहान होत आहेत, पण आकाराच्या न्यूनतम मर्यादेपर्यंत आपण पोचत आहोत. सॅमसंग या इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे बनवणाऱ्या कंपनीने अलिकडेच फक्त ७ नॅनोमीटर (१ नॅनोमीटर म्हणजे एका मीटर चा १ अब्जावा भाग) लांबी असलेले ट्रानसिस्टर वापरून इलेक्ट्रॉनिक सर्किट तयार केल्याचा दावा केला आहे. आपल्याला अजून लहान ट्रानसिस्टर बनवणे शक्य आहे? ग्राफीन वापरले तर नक्की शक्य आहे, असे शास्त्रज्ञ म्हणतात. ग्राफीन या कार्बन च्या अपरूपात अणूंची एकपदरी षट्कोनी जाळी असते. अलिकडेच भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी मुंबई) आणि भाभा अणू संशोधन केंद्र, ट्रॉम्बे येथील संशोधकांनी अकार्बनी रेणूंचा डोपण्ट (मिसळ) म्हणून वापर करून ग्राफीन पासून ट्रानसिस्टर व लॉजिक गेट करण्याची अभिनव पद्धत दर्शविली आहे.     

सिलिकॉन सारखे अर्धवाहक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे बनवण्यासाठी वापरतात, कारण त्याची वाहकता डोपण्ट मिसळून नियंत्रित करता येते. वापरलेल्या डोपण्ट नुसार डोप केलेल्या अर्धवाहकातील बहुसंख्य प्रभारवाहक धन किंवा ऋण असतात, आणि त्यांना अनुक्रमे पी-टाईप आणि एन-टाईप अर्धवाहक म्हणतात. या दोन पद्धतीचे अर्धवाहक डायोड व ट्रानसिस्टर सारख्या सर्व इलेक्ट्रॉनिक आणि डिजिटल उपकरणांचे मूलभूत घटक आहेत. ग्रफीन मध्ये बहुसंख्य प्रभारवाहक धन आहेत का ऋण हे नियंत्रत करणे खूपच अवघड असते. पी-टाईप ग्राफीन बनविणे सोपे असते, पण एन-टाईप ग्राफीन बनवणे अवघड असते आणि बनवले तरी सामान्य तापमानाला ते कार्यरत ठेवणे अवघड असते.

आयआयटी मुंबई च्या संशोधकांनी पहिल्यांदाच सामान्य तापमानाला १० महिन्याहून अधिक कार्यरत असलेल्या एन-टाईप ग्राफीन ची निर्मिती केली आहे, आणि प्रथमच एन-टाईप ग्राफीन बनवण्यासाठी अकार्बनी डोपण्ट चा वापर करण्यात आला आहे. संशोधकांनी वापरलेली पद्धत सरळ, एकच टप्पा असलेली आणि काटेकोर आहे, ज्याला उच्च तापमान किंवा निर्वात जागेची आवश्यकता नाही. शिवाय, त्यांनी तयार केलेला ग्राफीन ट्रानसिस्टर उच्च तापमान (२५० अंश सेल्सियस) आणि दमटपणातही (सापेक्ष आर्द्रता ९५%) १० माहिन्यांहून अधिक काळ स्थिरपणे कार्यरत आहे. या एन-टाईप ग्राफीन मध्ये वेगळी सामग्री वापरून पूर्वी तयार केलेल्या ट्रानसिस्टरच्या तुलनेत विद्युत धारा घनता १००० पट जास्त  नोंदली गेली.

सामान्यपणे अकार्बनी पदार्थ सिलिकॉन साठी डोपण्ट म्हणून वापरायचे असल्यास, डोप करताना निर्वात जागा आणि काटेकोर उपकरणांबरोबरच उच्च तापमान आवश्यक असते. उच्च तापमान ग्राफीनसाठी मात्र हानिकारक असते. म्हणून सहजपणे पातळ थर देता येईल असे कार्बनी डोपण्ट वापरून एन-टाईप ग्राफीन तयार करण्याचा प्रयत्न संशोधकांनी केला, पण तयार झालेले एन-टाईप ग्राफीन फारच अस्थिर होते व त्याचे एन-टाईप डोपिंग टिकत नव्हते. ग्राफीनसाठी नैसर्गिक पी-टाईप डोपण्ट असलेले ऑक्सिजन आणि पाण्याची वाफ, ग्राफीन कडे आकर्षित होत असत, त्यामुळे कार्बनी डोपण्ट वापरून बनवलेल्या एन-टाईप ग्राफीन चे थोड्या दिवसांनी पी-टाईप ग्राफीन होत असे कारण अस्थिर कार्बनी डोपण्ट ची जागा हवेतील ऑक्सिजन आणि पाण्याचे रेणू घेत असत. या सर्व बाबी लक्षात घेता संशोधकांनी हवेत अत्यंत स्थिर असलेले लॅंथेनाईड रेणू वापरून एन-टाईप ग्राफीन तयार करायचे ठरवले.

लॅंथेनाईड, रासायनिक उद्योगात उत्प्रेरक म्हणून नेहमी वापरल्या जाणाऱ्या अकार्बनी मूलद्रव्यांचा एक गट आहे. लॅंथेनाईड वापरण्याचे आणखी एक कारण म्हणजे माहिती साठवण्यासाठीच्या उपयोजनांसाठी हे पदार्थ वापरता येतील असे पुर्वी केलेल्या अभ्यासात दिसले आहे. आयआयटी मुंबई येथील प्राध्यापक महेश्वरन यांनी डोपण्ट म्हणून वापरण्याचे लॅंथेनाईड-संकुल तयार केले. ते म्हणतात, “लॅंथेनाईड-आधारित रेणू व द्विमितीय नॅनोपदार्थांमधील परस्पर क्रियांचा अभ्यास करण्यात आम्हाला विशेष रस आहे”. बाजारात उपलब्ध तयार रसायने वापरण्याऐवजी संशोधकांनी आवश्यक संयुगे त्यांच्या प्रयोगशाळेतच तयार केली, त्यामुळे विविध मिश्रणे व घटक यांवर प्रयोग करून इच्छित गुणधर्म असलेले नेमके संयुग तयार करणे त्यांना शक्य झाले.

काटेकोर आणि सूक्ष्म अश्या इंजेक्शन च्या सुया, जैव व वैद्यकीय उपयोजनांमध्ये लक्षणीय प्रमाणात वापरल्या जातात. प्राध्यापक सी. सुब्रमण्यम आणि त्यांच्या चमूने या सूक्ष्म इंजेक्शन सुया वापरून ग्राफीन च्या विशिष्ट भागात डोपण्ट सोडले आणि एन-टाईप ग्राफीन तयार केले. या सुया वापरल्यामुळे २ चौरस मिमि एवढ्या क्षेत्रफळातील ०.०५ चौरस मिमि क्षेत्रफळावर डोपण्ट सोडणे शक्य होते. एखाद्या टेनिस कोर्ट वर सुईच्या अग्राएवढा भाग अंकित करण्यासाठी लागते तशी क्षमता या यंत्रणेत आहे.

“सूक्ष्म  इंजेक्शन सुयांचा सारणीसंच बाजारात आधीपासूनच उपलब्ध आहे. सुस्थापित तंत्र वापरण्याचा फायदा असा असतो की ते तंत्र फार पैसे किंवा श्रम न खर्च करता लगेच वापरता येते. शिवाय नंतर मोठ्या प्रमाणावर वाणिज्यिय उत्पादन करणे सोपे जाते,” असे प्रा. सुब्रमण्यम म्हणतात.

लॅंथेनाईड-संकुल आणि ग्राफीन एकमेकांशी कश्याप्रकारे बद्ध होतात हे समजून घेण्यासाठी संशोधकांनी अनेक प्रयोग करून पाहिले. लॅंथेनाईड आणि लिगॅण्ड एकत्र करून, डोपण्ट म्हणून वापरलेली लॅंथेनाईड-संकुलं संश्लेषित करतात. लिगॅण्ड ही कार्बन व हायड्रोजन च्या अणूंनी एकत्र बांधून ठेवलेली, दाता नायट्रोजन नी बनलेली चक्रीय रचना असते. या चक्रीय गुहिेकेत लॅंथेनाईड चा आयन पक्का बसतो त्यामुळे संकुल अगदी स्थिर बनते.  लॅंथेनाईड-संकुलाशी संपर्कात आल्यावर ग्राफीन चा थर वाकतो व रेणूबंध घट्ट व्हायला मदत होते. हा बंध आणि लॅंथेनाईड-संकुलाचा मूळचा स्थिरपणा यामुळे एन-टाईप ग्राफीन स्थिर बनते. आयआयटी मुंबई आणि बीएआरसी येथे केलेल्या सैद्धांतिक विश्लेषणाच्या मदतीने संशोधकांनी या बंधनाचे तंत्र सविस्तर समजून घेतले व त्यामुळे त्यांना अचूक रेणू तयार करणे शक्य झाले.

“आता (बंध कसे बनतात याचे) मूळ कारण समजल्यामुळे, रसायनशास्त्रज्ञ, इच्छित उपयोजनेसाठी आवश्यक असणारे गुणधर्म अधिक सशक्त करण्याच्या दृष्टीने संकुलांची रचना करू शकतील,” असे या अभ्यासाचे सहसंशोधक असलेले आयआयटी मुंबईचे  प्रा. जी. राजारामन म्हणाले.

स्थिर एन-टाईप ग्राफीन ट्रानसिस्टर यशस्वीरित्या बनवू शकल्यानंतर संशोधकांनी डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक सर्किट चा मूलभूत घटक असलेला प्रतिलोमी, म्हणजेच इनव्हर्टर बनवला. हा प्रतिलोमी २ व्होल्ट इतक्या कमी व्होल्टतेलाही काम करू शकत असल्यामुळे हा निम्न-व्होल्टता निम्न-ऊर्जा (लो व्होल्टज, लो पॉवर) उपकरणांसाठी योग्य आहे. संशोधकांनी हे प्रतिलोमी कुठल्याही संरक्षक आवरणाशिवाय १० महिने चालवले. इतक्या व्यापक परिक्षणानंतरही त्यांना गुणधर्मांमध्ये अवनति आढळली नाही.

“इलेक्ट्रॉनिक्स अभियंते व रसायनशास्त्रज्ञ यांनी ग्राफीन ट्रानसिस्टर विषयक समकालीन समस्या सोडवणे, हे विविध ज्ञानशाखांमधील संशोधकांनी एकत्रित काम करत प्रश्नांची उत्तरे कशी शोधावित याचे उत्तम उदाहरण आहे. यापुढे ट्रानसिस्टर करिता ही अभिनव डोपिंग पद्धती वापरून सर्किट च्या मूलभूत घटकांची निर्मिती करणे शक्य होणार आहे,” असे प्रतिपादन भारतीय तंत्रज्ञान संस्था दिल्ली चे संचालक प्रा. रामगोपाल राव यांनी केले.

“ग्राफीन ट्रानसिस्टर चा डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स, रिडियो फ्रिक्वेन्सी उपकरणे व स्पिनट्रॉनिक्स उपकरणे अश्या अनेक उपयोजनांमध्ये उपयोग करता येईल. (एन-टाईप ग्राफीन ट्रानसिस्टर बनविण्याची) संकल्पना आम्ही सिद्ध केली आहे, आता औद्योगिक सहकार्याने नमुना करून पुढे व्यावसायिक निर्मिती करणेही शक्य होईल,” असे मत प्रा. सुब्रमण्यम यांनी व्यक्त केले. कामाची पुढील दिशा काय असेल हे सांगताना प्रा. महेश्वरन म्हणाले, “या अभ्यासात आम्ही लॅंथॅनम आणि सेरियम ची संयुगे वापरली. लॅंथॅनम आणि सेरियम संकुलांशी संरचनात्मक साधर्म्य असलेली आणखी (जवळ जवळ १० वेगवेगळी) संकुले, इतर लॅंथेनाईड वापरून आम्ही तयार केली आहेत. यातील प्रत्येक संकुल डोपण्ट म्हणून वापरून एन-टाईप ग्राफीन करण्याचा प्रयत्न आम्ही करणार आहोत.”