माइक्रोमिन्युराइजेशन: दो-परमाणु चुंबकीय अर्धचालक



पहले सेल फोन के बाद से, जिसका वजन एक किलोग्राम तक था और बिना रिचार्ज के आधे घंटे तक बिजली पर काम किया, तकनीक की दुनिया में कई उपयोगी सुधार, नवीन आविष्कार और क्रांतिकारी खोजें हुई हैं। समय के साथ, हम लगभग हर दिन उपयोग किए जाने वाले गैजेट आकार में छोटे हो जाते हैं, लेकिन प्रदर्शन के मामले में अधिक। यह प्रक्रिया अनिवार्य रूप से एक ठहराव की ओर बढ़ेगी, क्योंकि क्लासिक ट्रांजिस्टर अनिश्चित काल तक कम नहीं हो सकते, भले ही नए स्मार्टफोन या टैबलेट के डिजाइनरों की आवश्यकता हो। इसलिए, आपको क्लासिक्स को त्यागने और कुछ नया बनाने की जरूरत है, जो स्टीवंस इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (यूएसए) के वैज्ञानिकों द्वारा किया गया था। आज हम एक अध्ययन को देखते हैं जिसमें वे एक परमाणु रूप से पतले चुंबकीय अर्धचालक का वर्णन करते हैं, जो केवल इलेक्ट्रॉन आवेश का उपयोग करने में सक्षम नहीं है,लेकिन इसके स्पिन भी। नए अर्धचालक का आधार क्या है, यह कैसे बनाया गया था, और यह क्रांतिकारी नवीनता कितनी उपयोगी है? वैज्ञानिकों की एक रिपोर्ट हमें इस बारे में बताएगी। जाओ।

अध्ययन का आधार


स्पिन प्राथमिक कणों का आंतरिक कोणीय गति है। Spintronics, बदले में, क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक्स की एक शाखा है जो ठोस सामग्री में स्पिन वर्तमान हस्तांतरण के अध्ययन से संबंधित है। दूसरे शब्दों में, शास्त्रीय इलेक्ट्रॉनिक्स के विपरीत, स्पिन्ट्रोनिक्स में, स्पिन वर्तमान के माध्यम से जानकारी का हस्तांतरण होता है।

नए उपकरण बनाने के पहलू में, कई वैज्ञानिक स्पिन-ध्रुवीकृत चार्ज वाहक पर पूर्ण नियंत्रण पाने की कोशिश कर रहे हैं। इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए एक विकल्प के लिए एक पतला चुंबकीय अर्धचालक (डीएमएस या से डीएमएस है पतला चुंबकीय अर्धचालकों) एक पारंपरिक चुंबकीय अर्धचालक फेरोमैग्नेट्स और अर्धचालक के गुणों को जोड़ता है। लेकिन एक पतला (या अर्ध-चुंबकीय अर्धचालक) अनिवार्य रूप से एक गैर-चुंबकीय अर्धचालक होता है जिसमें एक निश्चित संख्या में अर्ध-चुंबकीय परमाणु होते हैं। उदाहरण के लिए, गैर-चुंबकीय बल्क अर्धचालकों में संक्रमण धातुओं, जैसे लोहा (Fe) और मैंगनीज (Mn) के मिश्र धातु तत्व डीएमएस प्राप्त करने की अनुमति देते हैं।

सवाल यह है कि ये डीएमएस, हालांकि वे उत्कृष्ट परिणाम दिखाते हैं, लेकिन बहुत विशिष्ट तापमान पर काम करते हैं। उदाहरण के लिए, एक पतला चुंबकीय अर्धचालक (Ga, Mn) के लिए क्यूरी बिंदु जैसा कि मैंगनीज के साथ 5% की एक डोपिंग एकाग्रता के साथ 110 K पर पहुंच जाता है, अर्थात। -163.15 डिग्री सेल्सियस पर। इस संबंध में, वैज्ञानिक डीएमएस को कमरे के तापमान पर काम करने की कोशिश कर रहे हैं ताकि प्रयोगशाला के बाहर उनके लाभों का पूरी तरह से लाभ उठाया जा सके।

दो-आयामी (2D) में फेरोमैग्नेटिज़्म की अपेक्षाकृत हालिया खोज, परमाणु रूप से पतली परतें, जैसे कि CrI 3 (क्रोमियम ट्रायोडाइड ) और Cr 2 Ge 2 Te 6 (क्रोमियम-जर्मेनियम टेलुराइड) ने बल्क क्रिस्टल से अनुसंधान का ध्यान दो-आयामी सामग्रियों में स्थानांतरित कर दिया है।

monolayersसंक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड्स (डीपीएम) * परमाणु रूप से पतले अर्धचालकों के रूप में अद्वितीय विद्युत और ऑप्टिकल गुणों को प्रदर्शित करता है जो सीधे मोटाई पर निर्भर करते हैं। हालांकि, पीडीएम मोनोलयर्स अपने स्वयं के रूप में गैर-चुंबकीय रहते हैं।
संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड्स (डीपीएम) * एक पतली मोनोलेयर अर्धचालक है जिसमें एक संक्रमण धातु और चेल्कोजन (ऑक्सीजन, सल्फर, सेलेनियम, टेल्यूरियम, पोलोनियम या लिवरवॉर्म) होता है। धातु परमाणुओं की एक परत चाकोजेन परमाणुओं की दो परतों के बीच स्थित होती है, जिसे सूत्र MX2 (M - धातु और X - च्लकोजेन) द्वारा व्यक्त किया जा सकता है।
डीपीएम के डोपिंग, जैसे कि वैनेडियम (वी), एमएन, और फ़े, और एक परमाणु रूप से पतले पतला चुंबकीय अर्धचालक (आरएमपी) में इसके परिवर्तन से हमें दो आयामी सीमित संरचनाओं में चुंबकीय युग्मन का अध्ययन करने की अनुमति मिलेगी। इस तथ्य के बावजूद कि पीडीएम को घुलनशीलता और रासायनिक स्थिरता द्वारा सीमित किया जाता है, उन्हें एकल-परत आरएमपी में एक निश्चित सीमा तक डोप किया जा सकता है। हालांकि, ऐसे प्रयोगों में, फेरोमैग्नेटिज़्म का प्रदर्शन नहीं किया गया है।

इसके बावजूद, Mn में 2% Mn डोपिंग: MoS 2 मोनोलैयर्स एक ग्राफीन सब्सट्रेट पर उगाए गए, और 1% रेनियम (Re) डोपिंग इन रे: MoS 2 मोनोलेयर ने दोषों से जुड़े कम तापमान पर उत्सर्जन का दमन प्रदर्शित किया। इसलिए, मोनोलेयर पीडीएम को पूरी तरह से महसूस करने का एक मौका है।

पहले अध्ययन किए गए थे जिसमें वैज्ञानिकों ने पीडीएम पर आधारित एक पतला चुंबकीय अर्धचालक के रूप में इस तरह के एक कठिन कार्य को लागू करने की कोशिश की थी, लेकिन इन कार्यों के परिणाम विशेष रूप से संतोषजनक नहीं थे।

आज हम जिस अध्ययन पर विचार कर रहे हैं, उसमें हम अभी भी MoS 2 मोनोलेयर में Fe परमाणुओं के सफल संस्थागत डोपिंग के रूप में एक सकारात्मक परिणाम प्राप्त करने में कामयाब रहे

शोध का परिणाम


लोहे (Fe) के साथ डोपिंग MoS 2 के मोनोलेयर को रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा MoS 2 और Fe 3 O 4 को बढ़ाकर किया गया।

सब्सट्रेट में स्थानीय विकृतियों के प्रभाव को खत्म करने के लिए, MoS 2 और Fe: MoS 2 के मोनोलयर्स को पतली-फिल्म hBN (हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड) में समझाया गया था।


इमेज नंबर 1

इमेज 1 ए में Fe: MoS 2 मोनोलयर्स की एक SEM (स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप) इमेज दिखाई देती है । हम त्रिकोणीय द्वीप-जैसे डोमेन देखते हैं, जो समान MoS 2 संश्लेषण विधियों के लिए काफी विशिष्ट है

छवि 1 बीFe की परमाणु संरचनाओं का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व दर्शाता है: MoS 2 मोनोलयर्स (शीर्ष और साइड व्यू)। चूंकि Fe परमाणुओं के लिए Mo साइटों का प्रतिस्थापन ऊष्मप्रवैगिकीय रूप से अनुकूल है (यानी, प्रतिक्रिया होने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता नहीं होती है), एक Fe dopant परमाणु MoS 2 क्रिस्टल में एक Mo परमाणु को प्रतिस्थापित करता है

चित्रा 1c एक PREM (ट्रांसमिशन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप) एक Fe: MoS 2 मोनोलेयर की छवि दिखाता है। मो परमाणुओं (Z = 42) की तुलना में, Fe (Z = 26) में एक परमाणु संख्या (यानी, चार्ज संख्या - परमाणु नाभिक में प्रोटॉन की संख्या) 40% कम है। चूंकि बिखरे हुए इलेक्ट्रॉनों की तीव्रता परमाणु संख्या पर निर्भर करती है, इसलिए यह उम्मीद की गई थी कि Fe परमाणु एक कम सापेक्ष तीव्रता का उत्पादन करेंगे, जो SEM छवि में प्रतिस्थापित एट परमाणुओं के लिए स्पष्ट रूप से देखा जाता है।

तीव्रता ( 1d ) की संगत पीईएम स्कैन इंगित करता है कि तीव्रता गुणांक 0.38 है, जो पिछले अध्ययनों के अनुरूप है।

Fe: MoS 2 के मोनोलेयर डोमेन के विकास की सटीक पुष्टि करने के लिएनमूने परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) का उपयोग कर जाँच की गई। इस तकनीक ने हमें यह पुष्टि करने की अनुमति दी कि गीली सफाई और थर्मल annealing के बाद , Fe: MoS 2 की सतह पर डोपिंग के बाद कोई Fe3O4 कण वहां नहीं रहे।

Fe का एक ऑप्टिकल विश्लेषण: MoS 2 को आगे बढ़ाया गया , जिसने अतिरिक्त सबूत प्रदान किए कि Fe सफलतापूर्वक मोनोलेयर जाली में शामिल हो गया था। फे की रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी: राज्यमंत्री 2 राज्य मंत्री के दो विशिष्ट विशेषता कंपन मोड प्रदर्शन 2 monolayers ई पर 1 2 जी = 385.4 सेमी -1 (मो और एस परमाणुओं के विमान में कंपन) और एक 1g = 405.8 सेमी -1(S परमाणुओं का समतल कंपन)। लोहे की शुरूआत रमन रेखा की चौड़ाई का विस्तार ए 1 जी के लिए 5.8 7.6 0.1 से 7.6 an 0.1 सेमी -1 और ई 1 2 जी के लिए 4 from 0.1 से 4.5 cm 0.1 सेमी -1 तक होती है

मोनोलेयर के जाली में परिवर्तन मोस 2 और Fe: MoS 2 के मोनोलयर्स के कमरे के तापमान पर फोटोलुमिनसेंस स्पेक्ट्रा की तुलना करके अतिरिक्त रूप से अध्ययन किया गया था । फोटोलुमिनेसेंस की मनाया मजबूत शमन अतिरिक्त गैर-विकिरण पुनर्संयोजन चैनलों (कब्जा राज्यों) द्वारा समझाया गया है, जो डोपिंग के कारण हैं, जो Fe के सफल निगमन की पुष्टि करता है। Fe: MoS 2 और MoS मोनोलैयर्स के लिए तापमान के एक समारोह के रूप में फोटोलुमिनेसेंस तीव्रता का विकास2 क्रमशः 1e और 1f में दिखाया गया है


छवि संख्या 2

छवि 2a कम तापमान के फोटोल्यूमिनसेंट (पीएल) उत्सर्जन को दर्शाती है: बैंड अंतराल मोड सहित एक व्यापक ऊर्जा रेंज में MoS 2 और MoS 2 मोनोलयर्स । जब monolayers Fe: MoS 2 और MoS 2 की PL की तुलना करते हैं , तो 2.28 eV पर उत्सर्जन शिखर स्पष्ट हो जाता है।

ग्राफ 2b Fe: MoS 2 का उत्सर्जन दर्शाता है2.28 ईवी के शिखर पर तीव्रता में महत्वपूर्ण बदलाव दिखाते हुए, तीन अलग-अलग त्रिकोणों के लिए। इन परिवर्तनों का कारण इन अलग-अलग उन्मुख त्रिभुजों के बीच डोपेंट (Fe) की एकाग्रता में अंतर हो सकता है।

इसके अलावा, इलेक्ट्रॉन के स्रोत के रूप में Fe से जुड़े स्थानीय कंपन रमण मोड को बाहर करने के लिए , ऑप्टिकल स्पेक्ट्रा को 2.28 ईवी शिखर के क्षेत्र में दर्ज किया गया। इस मामले में, लेजर तरंग दैर्ध्य को 405 एनएम ( 2 सी ) से 532 एनएम ( 2 डी ) तक समायोजित किया गया था
इलेक्ट्रॉन-छिद्र संक्रमण * विभिन्न आचारों वाले दो अर्धचालक का संपर्क क्षेत्र है - छिद्र (धनात्मक) और इलेक्ट्रॉन (ऋणात्मक)।
परिणामों की तुलना से पता चला कि शिखर की स्थिति नहीं बदलती है। यह पुष्टि करता है कि लोहे से जुड़ा विकिरण रमन कंपन मोड के कारण नहीं है, जो लेजर ऊर्जा के सापेक्ष स्थानांतरित हो जाएगा।


छवि संख्या 3

2.28 ईवी पर लोहे से जुड़े पीएल शिखर की उत्पत्ति की जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं ने Fe: MoS 2 की इलेक्ट्रॉनिक संरचना की गणना करने के लिए DFT (घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत) का उपयोग किया

एक अलग डोपिंग Fe अशुद्धता को 5 × 5 MoS 2 सुपरसेल ( 3a ) में Fe परमाणु द्वारा एक Mo परमाणु के प्रतिस्थापन के रूप में प्रतिरूपित किया गया था

3 बी परइस प्रणाली के लिए स्पिन-ध्रुवीकृत क्षेत्रों की संरचना को दिखाया गया है, जहां प्रत्येक नीले (या हरे) सर्कल का क्षेत्र स्पिन अप (या डाउन) के साथ राज्य के ओवरलैप के लिए आनुपातिक है और Fe परमाणु में केंद्रित 1.3 1.3 त्रिज्या का एक क्षेत्र है। ग्राफ से पता चलता है कि Fe की उपस्थिति राज्यों का परिचय देती है जो MoS 2 के अनछुए बैंड गैप के भीतर है । और यह तथ्य कि निषिद्ध बैंड के अंदर बड़े नीले और हरे घेरे ओवरलैप नहीं करते हैं, यह दर्शाता है कि Fe एक चुंबकीय क्षण को प्रेरित करता है।

चित्रा 3c स्पिन अप के साथ चालन बैंड की सहज उत्सर्जन दरों और प्राचीन MoS 2 के प्रवाहकत्त्व बैंड की तुलना को दर्शाता है । MoS 2 की प्रारंभिक अवस्था के लिए सबसे कम विकिरण ऊर्जा~ 1.79 eV है, जो 2a पर एक बड़ी PL चोटी से मेल खाती है , जो पूरे बैंड गैप पर छूट के परिणामस्वरूप उत्पन्न होती है। Fe की उपस्थिति ~ 2.32 eV की ऊर्जा के साथ एक और महत्वपूर्ण संक्रमण का परिचय देती है, जो Fe: MoS 2 के 2.28 eV पर PL उत्सर्जन के प्रयोगात्मक रूप से देखे गए शिखर से मेल खाती है।

पीएल चोटी का अपेक्षित मूल्य 3 सी से बहुत कम दिखाया गया है , क्योंकि लेजर उत्तेजना से बचे वैलेंस बैंड के किसी भी छेद से वैलेन्स बैंड के अधिकतम तक विकिरण के बिना बहुत जल्दी आराम होता है। इसलिए, छेद 2.28 ईवी संक्रमण के अनुरूप वैलेन्स बैंड की स्थिति में बहुत कम समय बिताएगा, जो इस संक्रमण को वैलेंस बैंड की अधिकतम सीमा तक संक्रमण की तुलना में बहुत कम संभावना बनाता है।


चित्र संख्या 4

अध्ययन के अगले चरण में, Fe: MoS 2 मोनोलैयर्स की चुंबकीय विशेषताओं का मूल्यांकन किया गया

यह ज्ञात है कि संक्रमण धातु आयन परिसरों से ऑप्टिकल विकिरण आमतौर पर लिगेंड और एक संक्रमण धातु के बीच चार्ज हस्तांतरण के परिणामस्वरूप होता है। आयन में एक इलेक्ट्रॉन का स्पिन कोणीय गति ध्रुवीकरण पर अत्यधिक निर्भर है, जो गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश के स्पिन को चुनने के नियमों के कारण है। इस प्रकार, संक्रमण धातु आयन बाएं और दाएं परिपत्र ध्रुवीकरण के साथ उत्तेजना पर प्रकाश अवशोषण की एक असमान मात्रा का प्रदर्शन करते हैं।

परमाणु स्तर पर, प्रकाश अवशोषण चुंबकीय रूप से प्रेरित Zeeman पारियों से निकटता से संबंधित है। इसलिए, एमसीडी स्पेक्ट्रोस्कोपी (चुंबकीय परिपत्र द्विभाजन) का प्रदर्शन सामग्री के चुंबकीय गुणों का एक विचार दे सकता है।

रेखांकन4 ए और 4 बी शो के पीएल स्पेक्ट्रा को दर्शाते हैं: 4 के पर और कमरे के तापमान पर विपरीत परिपत्र ध्रुवीकृत प्रकाश द्वारा उत्तेजना पर मोस 2Fe से जुड़ा विकिरण एक मजबूत वृत्ताकार द्वैतवाद * (ρ% 40%) दोनों को 4 K और RT पर दर्शाता है
वृत्ताकार द्वैतवाद * - दाएं और बाएं हलकों के साथ प्रकाश के अवशोषण गुणांक के बीच का अंतर।
यह देखते हुए कि संक्रमण धातुओं की ल्यूमिनेन्सिस क्यूरी तापमान के ऊपर अपने वृत्ताकार द्विध्रुवीयता को खो देती है, 300 K पर मजबूत विचित्रता का अवलोकन बताता है कि Fe: MoS 2 कमरे के तापमान पर फेरोमैग्नेटिक रहता है।

चित्रा 4c Fe (संबंधित ब्लू डॉट्स) और घटते (लाल डॉट्स) चुंबकीय क्षेत्र को .3 T से 3 T तक 4 K पर बढ़ाता है। स्पष्ट हिस्टैरिसीस पाश स्पष्ट रूप से PL विकिरण से जुड़े फेरोमैग्नेटिक प्रकृति की पहचान करता है। लोहे से युक्त।

चित्रा 4d से पता चलता है कि Fe: MoS 2 मोनोलयेर एक स्पष्ट M - H हिस्टैरिसीस लूप को 5 K और कमरे के तापमान दोनों पर प्रदर्शित करते हैं। यह पुष्टि करता है कि संश्लेषित monolayers Fe: MoS 2300 लालकृष्ण पर भी ferromagnetism प्रदर्शित

में निष्कर्ष, वैज्ञानिकों फे की magnetometry बाहर किया: राज्यमंत्री 2 monolayers ODMR विधि (ऑप्टिकल चुंबकीय अनुनाद का पता लगाने) का उपयोग कर कमरे के तापमान पर लौह-चुंबकीय क्षेत्र के स्थानीय ताकत अनुमान लगाने के लिए।


छवि संख्या 5

Fe के लिए एक अनुकरणीय ODMR स्पेक्ट्रम: MoS 2 और MoS 2 को 5a में दिखाया गया है । 5 बी पर क्रमशः 24 और 20 विभिन्न बिंदुओं मोनोलेयर Fe: MoS 2 और MoS 2 को अनोपेड 2 में संग्रहित ऊर्जा के Zeeman विभाजन का हिस्टोग्राम दिखाया गया है। सांख्यिकीय विश्लेषण से पता चलता है कि Fe: MoS 2 पर विभाजित होने वाली औसत ऊर्जा शुद्ध MoS की तुलना में ~ 11 MHz बढ़ी है । इन आंकड़ों से, यह पाया गया कि नमूने का स्थानीय चुंबकीय क्षेत्र 0.5 T 0.1 mT तक पहुंच सकता है। यह संकेतक क्रायोजेनिक तापमान पर 2D फेरोमैग्नेट्स CrI 3 और CrBr 3 में मापा गया है

तथ्य यह है कि Fe: MoS 2 कमरे के तापमान पर एक बड़े स्थानीय चुंबकीय क्षेत्र को प्रदर्शित करता है, इस बात का स्पष्ट प्रमाण है कि इस सामग्री ने अपने चुंबकीयकरण को बनाए रखा है। इसलिए, यह डेटा से निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि एम्बेडेड Fe परमाणुओं के साथ Fe: MoS 2 मोनोलयर्स पतला चुंबकीय अर्धचालक के रूप में कार्य करते हैं जो कमरे के तापमान पर फेरोमैग्नेटिज़्म का प्रदर्शन करते हैं।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट देखेंऔर इसके लिए अतिरिक्त सामग्री

उपसंहार


प्रौद्योगिकियों और संबंधित उपकरणों का विकास अक्सर उन लोगों के आराम से जुड़ा होता है जो उनका उपयोग करते हैं। आधुनिक उपकरण छोटे होते जा रहे हैं, लेकिन बहुत अधिक कॉम्पैक्टनेस नहीं है। हालांकि, कोई फर्क नहीं पड़ता कि उपयोगकर्ता अपने पसंदीदा गैजेट के आयामों को कैसे कम करना चाहते हैं, यह प्रक्रिया इन उपकरणों के अंदरूनी हिस्सों के आयामों तक सीमित है।

इस अध्ययन के लेखक ध्यान देते हैं कि शास्त्रीय ट्रांजिस्टर अनंत रूप से घट नहीं सकते हैं, जो तर्क और भौतिकी दोनों के नियमों के अनुरूप है। फिर भी, यदि क्लासिक्स काम नहीं करते हैं, तो आप आधुनिकता की दिशा में देख सकते हैं, जो वैज्ञानिकों ने किया है। अपने काम में, उन्होंने एक नए प्रकार के सेमीकंडक्टर Fe: MoS 2 का वर्णन कियाएक अर्धचालक और एक फेरोमैग्नेट के गुणों का संयोजन। इसके निर्माण की प्रक्रिया में, लोहे के परमाणु मोलिब्डेनम परमाणुओं को धक्का देते हैं, इसलिए बोलने के लिए, उनकी जगह लेते हैं। इस प्रक्रिया का परिणाम बहुत पतला (मोटाई में केवल दो परमाणु) और एक लचीली सामग्री है जो कमरे के तापमान पर चुंबकीयकरण को बरकरार रखता है।

जैसा कि शोधकर्ता खुद कहते हैं, उनके आविष्कार मूर के प्रसिद्ध कानून का पालन नहीं करते हैं, क्योंकि यह शारीरिक स्केलिंग से संबंधित नहीं है। अपने काम में, उन्होंने न केवल एक इलेक्ट्रॉन के चार्ज का उपयोग करने की क्षमता का वर्णन किया, बल्कि इसके स्पिन भी, जो भविष्य की प्रौद्योगिकियों की संभावनाओं का विस्तार करता है।

भविष्य के उपकरणों की नींव, लचीली, हल्की और पारदर्शी, वैज्ञानिकों के अनुसार, उन सामग्रियों के गुणों की पूरी समझ और नियंत्रण हो सकती है जिनसे वे बनाए जाएंगे।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों। :)

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