IIT गुवाहाटी ने हाइब्रिड पेरोव्सकाइट्स से ऊर्जा रूपांतरण और न्यूरोमॉर्फिक मेमोरी के लिए उपकरण विकसित किए

Guwahati गुवाहाटी : भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान गुवाहाटी की एक शोध टीम ने पेरोवस्काइट अर्धचालक सामग्री पर एक नई तकनीक विकसित की है, जो सौर सेल और प्रतिरोधक-स्विचिंग (मेमरिस्टर/आर-रैम) उपकरणों में अपने संभावित अनुप्रयोगों के लिए जानी जाती है। पेरोवस्काइट्स एक प्रकार की सामग्री हैं जिनकी एक विशिष्ट क्रिस्टल संरचना होती है जो उच्च-प्रदर्शन वाले सौर सेल के लिए मजबूत प्रकाश अवशोषण और कुशल चार्ज पृथक्करण को सक्षम बनाती है, जबकि उनके दोष-सहिष्णु इलेक्ट्रॉनिक गुण और आयन प्रवासन व्यवहार उन्हें मेमरिस्टर उपकरणों के लिए अत्यधिक आशाजनक बनाते हैं।

पेरोव्स्काइट सौर सेल में कई कार्यात्मक परतें होती हैं, जहां फोटो-जनित आवेश वाहकों को चयनात्मक परिवहन परतों के माध्यम से निकालकर बिजली उत्पन्न की जाती है। हालांकि, सतह दोषों, रासायनिक रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं और ऊर्जा-स्तर बेमेल के कारण इंटरफेस पर होने वाले नुकसान से चार्ज ट्रैपिंग और पुनर्संयोजन होता है। नमी, गर्मी और ऑक्सीजन जैसे पर्यावरणीय तनावों के तहत ये चुनौतियाँ और भी बढ़ जाती हैं, जिसके परिणामस्वरूप गिरावट और परिचालन स्थिरता में कमी आती है, जिससे वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों में पेरोवस्काइट्स के व्यावहारिक उपयोग सीमित हो जाते हैं। हालांकि, पेरोवस्काइट मेमरिस्टर्स का प्रतिरोधक स्विचिंग व्यवहार अक्सर अनियंत्रित आयन प्रवासन, दोष-सहायता प्राप्त चालन और अंतरास्थि अस्थिरता से प्रभावित होता है, जिससे स्विचिंग मापदंडों में परिवर्तनशीलता आती है।

इन समस्याओं के परिणामस्वरूप स्विचिंग की एकरूपता खराब होती है, सहनशक्ति सीमित होती है, प्रतिधारण में गिरावट आती है, और अंतर्निहित स्विचिंग तंत्र की अपूर्ण समझ होती है, जिससे भविष्य के न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग और अगली पीढ़ी के गैर-वाष्पशील मेमोरी अनुप्रयोगों के लिए विश्वसनीय पेरोवस्काइट-आधारित मेमोरी उपकरणों के विकास में बाधा उत्पन्न होती है। इन सीमाओं को दूर करने के लिए, रसायन विज्ञान विभाग और नैनो प्रौद्योगिकी केंद्र के प्रोफेसर परमेश्वर के. अय्यर ने अपनी शोध टीम के साथ मिलकर दो विशेष रूप से डिजाइन किए गए चमकीले दाता-ग्राही कार्बनिक अणुओं का उपयोग करके एक आणविक इंटरफेस इंजीनियरिंग विधि विकसित की।

डिवाइस इंजीनियरिंग रणनीति के हिस्से के रूप में, इन रणनीतिक कार्बनिक यौगिकों को चार्ज-ट्रांसपोर्ट लेयर और पेरोव्स्काइट लेयर के बीच 10-15 एनएम की अति पतली परतों (मानव बाल से एक लाख गुना पतली) के रूप में जमा किया जाता है। ये कार्बनिक अणु इंटरफ़ेस पर विद्युत आवेशों के व्यवहार को नियंत्रित करते हैं और दोषों को कम करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप सूर्य के प्रकाश द्वारा उत्पन्न आवेशों का इंटरफ़ेस के पार आसान और सुचारू प्रवाह होता है।

इस दृष्टिकोण ने सौर सेल को 25.73% की दक्षता हासिल करने में सक्षम बनाया, जो आपतित सूर्य के प्रकाश के लगभग एक-चौथाई हिस्से को बिजली में परिवर्तित करने के बराबर है, जो इस श्रेणी के अत्याधुनिक उपकरणों के बीच अत्यधिक प्रतिस्पर्धी है। शोध दल ने यह भी पाया कि इंटरफेशियल इंजीनियरिंग दृष्टिकोण ने परिवेशीय परिस्थितियों में लंबे समय तक भंडारण के बाद अपने प्रारंभिक प्रदर्शन का लगभग 90% और निरंतर तापीय और प्रकाश तनाव के तहत लगभग 75% बरकरार रखा, जो विकसित सामग्रियों की मजबूती को उजागर करता है।

सौर सेल के अलावा, टीम ने यह प्रदर्शित किया कि उसी (FA-आधारित) पेरोव्स्काइट सामग्री को 220-nm की पतली सक्रिय परत का उपयोग करके मेमरिस्टर उपकरणों में एकीकृत किया जा सकता है, जो इसकी बहुआयामी क्षमता को दर्शाता है। ये उपकरण स्थिर कम-शक्ति स्विचिंग, बहु-अवस्था मेमोरी प्रदर्शन और विश्वसनीय स्थायित्व प्रदर्शित करते हैं, जो उन्हें अगली पीढ़ी की मेमोरी और न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग के लिए क्रॉसबार एरे के लिए आशाजनक उम्मीदवार बनाते हैं।

यह अध्ययन दोष अवस्थाओं और आयन प्रवासन द्वारा नियंत्रित स्विचिंग तंत्र के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी भी प्रदान करता है। इसके अलावा, बहु-अवस्था स्मृति व्यवहार न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग और कृत्रिम बुद्धिमत्ता हार्डवेयर के लिए इसकी क्षमता को उजागर करता है। प्रवाहकीय तंतुओं का यादृच्छिक निर्माण वास्तविक यादृच्छिक संख्या निर्माण को भी सक्षम बनाता है, जो सुरक्षित कंप्यूटिंग, क्रिप्टोग्राफिक सिस्टम और अगली पीढ़ी की बुद्धिमान इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकियों के लिए आशाजनक अवसर प्रदान करता है।

विकसित सामग्रियों के वास्तविक दुनिया में उपयोग के बारे में बात करते हुए, आईआईटी गुवाहाटी के रसायन विज्ञान विभाग के प्रोफेसर परमेश्वर के. अय्यर ने कहा, "यह कार्य अगली पीढ़ी के सौर सेल और मेमोरी उपकरणों के लिए पेरोवस्काइट-आधारित अर्धचालक प्रौद्योगिकियों की क्षमता को प्रदर्शित करता है।"

संश्लेषित नवीन कार्बनिक अणु उच्च दक्षता और स्थिरता के साथ सौर ऊर्जा रूपांतरण हेतु बेहतर इंटरफेशियल इंजीनियरिंग को सक्षम बनाते हैं, जबकि यही पदार्थ उन्नत मेमोरी और न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों के लिए विश्वसनीय प्रतिरोधक स्विचिंग प्रदर्शित करता है। इस प्रकार की प्रगति ऊर्जा संचयन, सूचना भंडारण और बुद्धिमान कंप्यूटिंग को एक ही तकनीकी ढांचे के भीतर संयोजित करने वाले एकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों के बड़े पैमाने पर व्यावसायीकरण को गति प्रदान कर सकती है।

कम लागत और कुशल सौर सेल और मेमोरी उपकरणों के विकास के अलावा, ये उन्नत पेरोव्स्काइट सिस्टम ऊर्जा-कुशल कंप्यूटिंग दृष्टिकोणों का भी समर्थन कर सकते हैं, जैसे कि न्यूरोमॉर्फिक सिस्टम, जो न्यूरॉन्स और सिनैप्स की नकल करने वाले नेटवर्क का उपयोग करके मस्तिष्क द्वारा सूचना को संसाधित करने के तरीके का अनुकरण करते हैं। उनकी पतली-फिल्म प्रकृति लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स और एकीकृत उपकरणों के लिए भी उपयुक्त है जो ऊर्जा उत्पादन और डेटा भंडारण को संयोजित करते हैं।

इस शोध के निष्कर्षों के परिणामस्वरूप पेरोव्स्काइट सौर सेल प्रौद्योगिकी, मेमोरी उपकरणों के लिए कई पेटेंट दाखिल किए गए हैं और हाल ही में प्रतिष्ठित अंतरराष्ट्रीय पत्रिका 'एडवांस्ड फंक्शनल मैटेरियल्स' (विली) में दो अलग-अलग उच्च-प्रभाव वाले शोध लेख प्रकाशित हुए हैं, जिनके सह-लेखक प्रोफेसर अय्यर और उनकी शोध टीम में रामकृष्ण दास अधिकारी, हिमांशु बैश्य, मिजानुर आलम, मनब कलिता, मयूर जगदीशभाई पटेल, दीपक यादव, दिगंता भट्टाचार्य, प्रियम घोष शामिल हैं, जिन्होंने स्वास्तिक लाहा और आईआईटी गुवाहाटी के डॉ. कालीशंकर भट्टाचार्य के सहयोग से ये लेख लिखे हैं । इस कार्य को विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग, नई दिल्ली, इंटीग्रेटेड क्लीन एनर्जी मटेरियल एक्सेलरेशन प्लेटफॉर्म ऑन मैटेरियल्स (आईसी-एमएपी) (डीएसटी/टीएमडी/आईसी-एमएपी/2के20/03) द्वारा वित्त पोषित किया गया है।

अगले चरण के रूप में, शोध दल ने प्रगति की है और 26% से अधिक सौर सेल दक्षता हासिल की है और आगे चलकर लंबे समय तक बड़े क्षेत्र की वास्तविक दुनिया की स्थितियों में विकसित सामग्रियों के प्रदर्शन में सुधार करने का लक्ष्य रखा है।

टीम वाणिज्यिक अनुप्रयोगों के लिए बड़े क्षेत्रों और लचीले उपकरणों के निर्माण को बढ़ाने के तरीकों को विकसित करने के लिए एक उद्योग भागीदार के साथ भी काम कर रही है।

उन्नत सामग्रियों पर शोध की प्रगति के बीच, आईआईटी गुवाहाटी के शोध समूह द्वारा की गई यह उपलब्धि प्रयोगशाला में कार्यात्मक सामग्रियों के विकास, सैद्धांतिक अंतर्दृष्टि और उपग्रहों और अंतरिक्ष मिशनों को शक्ति प्रदान करने के लिए अंतरिक्ष प्रौद्योगिकियों में वास्तविक दुनिया में उनके कार्यान्वयन के बीच की एक बड़ी खाई को पाटती है। यह उपलब्धि हल्के, लचीले ऊर्जा रूपांतरण उपकरणों को सक्षम बनाती है और बाह्य अंतरिक्षीय परिस्थितियों में ब्रह्मांडीय विकिरण के प्रति स्थिरता प्रदान करती है।