Contribute to Calamity Relief Fund

Several parts of Karnataka, Kerala and Maharashtra are inundated by floods. This has gravely affected life and property across. The respective governments need your support in reconstructing and restoring life back to normalcy. We encourage you to do your bit by contributing to any of these funds:

Government of India | Karnataka | Kerala | Maharashtra

You are here

अधिक जलद चालणाऱ्या व अजून लहान आकाराच्या इलेक्ट्रॉनिक साधनांसाठी ग्राफीनचा उपयोग

Read time: १ मिनिट
  • Photo: Arati Halbe, Gubbi Labs Component images by: pxHere and UCL Mathematical & Physical Sciences via flickr

इलेक्ट्रॉनिक साधने आपल्या आयुष्याचा अविभाज्य घटक बनत चालली आहेत, व आता छोट्या आकाराची, कमी बॅटरी वापरणारी पण जास्त कार्य करू शकणारी इलेक्ट्रॉनिक साधने लोकप्रिय होताना दिसतात. या सर्व साधनात 'ट्रान्झिस्टर' नावाचा एक मूलभूत भाग असतो, ज्यावर साधनाचा आकार, त्याची गती, कार्यक्षमता आणि बॅटरीचे आयुष्य अवलंबून असते. नुकतेच केलेल्या एका संशोधनात भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील कु. पूनम जांगिड, श्री दावूथ पठाण आणि प्रा. अनिल कोट्टनथरयिल यांनी २० नॅनोमिटर रुंदीचे (कागदाच्या जाडीपेक्षा ५००० पट कमी जाड) ग्राफीन ट्रान्झिस्टर निर्माण करण्याची पद्धत विकसित केली आहे. हे ग्राफीन ट्रान्झिस्टर वापरले असता साधन वापरात नसताना कमी बॅटरी वापरली जाते आणि साधन अधिक जलद चालते.

सर्वसामान्यपणे सिलिकॉन किंवा त्यासारखे अर्धवाहक वापरुन ट्रान्झिस्टर बनवले जातात. मात्र आणखी लहान आणि तरीही वेगवान ट्रान्झिस्टर सिलिकॉन वापरून बनवण्यात अनेक आव्हाने आहेत. याला पर्याय आहे ग्राफीन, जे कार्बनचे एक स्फटिकी रूप आहे आणि ज्यात एकाच प्रतलात असलेल्या  कार्बन अणूंचा एकच थर असतो. शुद्ध ग्राफीन वाहक असते. पण त्याची संरचना बदलली तर त्याचे रूपांतर अर्धवाहकात करता येते आणि म्हणून नवनवीन प्रकारचे ट्रान्झिस्टर आणि इतर इलेक्ट्रॉनिक साधने बनवण्यासाठी हे एक आदर्श साहित्य आहे.

ग्राफीनच्या पृष्ठभागावरील काही कार्बन अणू काढून निर्माण झालेल्या पन्हळीला ग्राफीन नॅनोरिबन म्हणतात. या पूर्वी केलेल्या अभ्यासात असे आढळले आहे की या रिबनची रुंदी आणि पन्हळीच्या कडेची रचना बदलली तर ग्राफीनची वाहकता नियंत्रित करता येते. रिबनची रुंदी जितकी कमी असेल तितकीच कमी वाहकता असते. प्रा. कोट्टनथरयिल म्हणतात, "सिलिकॉन ट्रान्झिस्टरच्या तुलनेत ग्राफीन ट्रान्झिस्टर १०० पट अधिक जलद गतीने काम करू शकतात."

सध्या नॅनोरिबन निर्माण करण्यासाठी रासायनिक प्रक्रिया वापरली जाते अथवा निकेल, तांबे किंवा लोखंड यासारख्या धातूंचे नॅनो-स्फटिक वापरुन ग्राफीनच्या पृष्ठभागावर कोरले जाते. मात्र कोणतीही रासायनिक प्रक्रिया किंवा कोरण्याची पद्धत वापरुन गुळगुळीत आणि हवी तशी कडा असलेली ग्राफीन नॅनोरिबन निर्माण करता येत नाही. कार्बन या मासिकात प्रकाशित झालेल्या या अभ्यासात संशोधकांनी प्लॅटिनम नॅनो-स्फटिके वापरुन ग्राफीनचा पृष्ठभाग कोरला आणि ग्राफीन नॅनोरिबन तयार केल्या. प्लॅटिनम जवळजवळ निष्क्रिय असल्यामुळे आणि चांगले रासायनिक उत्प्रेरक असल्यामुळे उत्तम दर्जाच्या ग्राफीन नॅनोरिबन तयार झाल्या, ज्यांची रुंदी १०-२० नॅनोमिटर होती आणि कडा गुळगुळीत होत्या. ही प्रक्रिया सुमारे १०००से तापमानावर आणि हायड्रोजन व आरगॉन वायूच्या उपस्थितीत केली गेली.

ट्रान्झिस्टर विद्युत स्विच सारखे काम करतात, जेव्हा ते 'ऑन' असतात तेव्हा त्यातून वीज वाहते, आणि 'ऑफ' केले की वीज वाहणे थांबते. मात्र प्रत्यक्षात ट्रान्झिस्टर 'ऑफ' असला तरीही अगदी नगण्य प्रमाणात वीज वाहते, ज्याला लीकेज करंट (IOFF) म्हणतात. या लीकेज करंटमुळे इलेक्ट्रॉनिक साधने बंद स्थितीतसुद्धा बॅटरी वापरतात. ट्रान्झिस्टर 'ऑन' असताना त्यातून वाहणारी वीज (ION) अधिक असेल तर ते साधन जलद गतीने सुरू व बंद करता येते आणि त्याची वाहकता अधिक असते. प्रा. कोट्टनथरयिल समजावून सांगताना म्हणाले, "ट्रान्झिस्टरच्या स्विचिंग कार्यक्षमतेचे प्रमाण म्हणजे  ION/IOFF. ION मूल्य अधिक असले तर सर्किटची गती अधिक असते आणि साधन वापरात नसताना बॅटरी कमी वापरली जाण्यासाठी IOFF कमी असायला पाहिजे."

खोलीच्या तापमानाला संशोधकांनी विकसित केलेल्या नवीन ट्रान्झिस्टरचे ION/IOFF  प्रमाण ६०० मोजले गेले. फक्त पारंपरिक ट्रान्झिस्टरच नाही तर इतर पद्धतीने निर्माण केलेल्या ग्राफीन नॅनोरिबन ट्रान्झिस्टरच्या तुलनेत सुद्धा या नवीन ट्रान्झिस्टरची वाहकता अधिक होती. निकेल नॅनो-स्फटिक आधारित कोरण्याची पद्धत वापरुन निर्माण केलेल्या ग्राफीन नॅनोरिबन ट्रान्झिस्टरचे ION/IOFF प्रमाण खोलीच्या तापमानाला ५०० असले तरीही त्यांची वाहकता कमी असते ज्यामुळे साधनाचे तापमान वाढून त्याची कार्यक्षमता कमी होऊ शकते.

संशोधनात आढळलेले निष्कर्ष जरी उत्साहवर्धक असले तरीही प्रत्यक्षात ग्राफीन नॅनोरिबन ट्रान्झिस्टर वापरण्यासाठी अजून खूप वेळ आहे. प्रा. कोट्टनथरयिल म्हणतात, "नॅनो-प्रमाणाच्या सर्किटमध्ये वापरण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात आणि कमी दोष असलेल्या ग्राफीन नॅनोरिबन निर्माण करण्याची आवश्यकता आहे. ग्राफीन नॅनोरिबन वापरता येण्यासाठी किमान दहा वर्ष तरी लागतील."

कोरण्याची प्रक्रिया वापरुन ग्राफीन नॅनोरिबन बनवण्याचा सगळ्यात मोठा गैरफायदा म्हणजे त्यात दोष असू शकतात. म्हणून मोठ्या प्रमाणात नॅनोरिबन निर्माण करायच्या असतील तर कोरण्याची पद्धत न वापरता इतर पद्धती विकसित करायला हव्या.

प्रा. कोट्टनथरयिल भविष्यातील योजनांबाबत सांगतात, "विशिष्ट ठिकाणी असणाऱ्या किंवा हव्या त्या ठिकाणी वाढवता येणाऱ्या उत्प्रेरक नॅनोकणांच्या निर्देशित हालचालींचा अभ्यास पुढे करायचा आहे. आमच्या संशोधनात वापरलेल्या काही पद्धती किंवा कोरण्यावर आधारित पद्धती यांचा अभ्यास करणे चित्तवेधक ठरू शकते."