High-magnitude, spatially and directionally programmable, and sustained strain engineering of 2D semiconductors

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हमारे इलेक्ट्रॉनिक्स को शक्ति देने वाली सामग्रियाँ सिलिकॉन के मोटे ब्लॉक नहीं, बल्कि ऐसी चादरें हैं जो इतनी पतली हैं कि वे परमाणुओं की केवल एक परत जितनी हैं। ये अति-पतली सामग्रियाँ, जिन्हें द्वि-आयामी (two-dimensional) अर्धचालक (semiconductors) कहा जाता है, अविश्वसनीय रूप से मजबूत और लचीली हैं, जो टूटे बिना खिंचने में सक्षम हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि यदि आप ऐसी सामग्री को खींचते हैं, तो आप यह बदल सकते हैं कि वह बिजली का संचालन कैसे करती है और प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। यह एक रबर बैंड को खींचने जैसा है जिससे उसका आकार बदल जाता है, लेकिन इन परमाणु चादरों में, खिंचाव वास्तव में सामग्री की आंतरिक ऊर्जा के नियमों को फिर से लिख देता है। यदि इंजीनियर इस खिंचाव को सटीकता से नियंत्रित कर सकें, तो वे तेज़ कंप्यूटर और अधिक कुशल सौर सेल बना सकते हैं। हालाँकि, अब तक, इन सामग्रियों को खींचने के तरीके अनाड़ी थे। वे या तो सामग्री को बहुत कम मात्रा में खींच सकते थे, या वे इसे बहुत अधिक खींच सकते थे लेकिन केवल कुछ सेकंड के लिए ही, इससे पहले कि वह वापस सिमट जाए या अपना आकार खो दे। ऐसा कोई तरीका नहीं था जिससे खिंचाव को एक मजबूत स्थिति में रोका जा सके और साथ ही यह भी तय किया जा सके कि कहाँ और किस दिशा में खींचना है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन परमाणु चादरों को महीनों तक खींचे हुए अवस्था में रखने का एक नया तरीका बनाकर इस समस्या को हल कर लिया है, जिसमें खिंचाव पर पूर्ण नियंत्रण है। उन्होंने इसे सतहों पर सूक्ष्म परिदृश्य (microscopic landscapes) प्रिंट करके हासिल किया और फिर उन परमाणु चादरों को एक गद्दे के ऊपर बिछाई गई चादर की तरह उन पर फैला दिया। शोधकर्ताओं ने एक विशेष प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग किया जो सटीक आकृतियों के साथ सूक्ष्म, त्रि-आयामी घाटियाँ (valleys) बना सकती है। उन्होंने मोलिब्डेनम डाइसल्फाइडइड (molybdenum disulfide) नामक सामग्री की एक एकल परत ली, जो कि एक सामान्य अर्धचालक है, और उसे सावधानीपूर्वक इन प्रिंटेड सतहों पर स्थानांतरित किया। क्योंकि सामग्री इतनी पतली और लचीली है, वह इन घाटियों में पूरी तरह से बैठ गई, और सतह के उभारों के अनुरूप खिंच गई। इन घाटियों की गहराई और चौड़ाई को बदलकर, टीम यह नियंत्रित कर सकी कि सामग्री कितनी खिंचेगी। कुछ क्षेत्रों में, सामग्री लगभग 2.2 प्रतिशत तक खिंची, जो इस तरह की पतली सामग्री के लिए एक महत्वपूर्ण मात्रा है, और यह खिंचाव आठ महीने से अधिक समय तक स्थिर रहा।

इस विधि की शक्ति इसकी सटीकता में निहित है। शोधकर्ताओं ने केवल पूरी चादर को समान रूप से नहीं खींचा; उन्होंने एक ऐसा परिदृश्य बनाया जहाँ खिंचाव एक स्थान से दूसरे स्थान तक धीरे-धीरे बदलता है। उन्होंने इसका मानचित्रण किया और पाया कि खिंचाव सामग्री के प्रत्येक माइक्रोमीटर की दूरी पर लगभग 0.1 प्रतिशत बदलता है। इसका अर्थ है कि वे खिंचाव का एक सुचारू ग्रेडिएंट (gradient) बना सकते हैं, जिससे एक ही छोटी चादर के विभिन्न हिस्से अलग-अलग तरह से व्यवहार कर सकते हैं। जिन क्षेत्रों में सामग्री सबसे अधिक खिंची थी, वहाँ शोधकर्ताओं ने सामग्री के ऊर्जा अंतराल (energy gap) में परिवर्तन को मापा, जो बिजली के प्रवाह के लिए आवश्यक दहलीज है। उन्होंने पाया कि ऊर्जा अंतराल लगभग 0.4 इलेक्ट्रॉन वोल्ट बदल गया, जो सामग्री के प्राकृतिक ऊर्जा रेंज का एक चौथाई है। यह पुष्टि करता है कि केवल नीचे की सतह का आकार बदलकर, वे स्थानीय स्तर पर सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को ट्यून कर सकते हैं।

केवल सभी दिशाओं में एक साथ सामग्री को खींचने के अलावा, टीम ने यह भी दिखाया कि वे इसे केवल एक दिशा में खींच सकते हैं। गोल घाटियों के बजाय लंबी, खाई जैसी खांचों (trench-like grooves) को प्रिंट करके, उन्होंने सामग्री को खाई की लंबाई के अनुदिश अधिक और चौड़ाई के अनुदिश कम खींचने के लिए मजबूर किया। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि एक दिशा में खींचना सामग्री के गुणों को अन्य दिशाओं में खींचने की तुलना में अलग तरह से बदलता है। उन्होंने प्रदर्शित किया कि वे एक ही टुकड़े की सामग्री पर एक गोल घाटी और एक लंबी खाई को एक साथ रख सकते हैं, जिससे एक ही शीट पर दो अलग-अलग खिंचाव वाले वातावरण बन जाते हैं। गोल घाटी में, सामग्री सभी दिशाओं में समान रूप से खिंची, जबकि खाई में, यह मुख्य रूप से एक दिशा में खिंची। खिंचाव की मात्रा और दिशा दोनों को एक ही शीट के भीतर प्रोग्राम करने की यह क्षमता सूक्ष्म पैमाने पर जटिल इलेक्ट्रॉनिक सर्किट डिजाइन करने के नए अवसर खोलती है।

शोधकर्ताओं ने इस विधि का परीक्षण दो अलग-अलग परमाणु चादरों के ढेर पर भी किया, जो मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड और टंगस्टन डाइसल्फाइड का संयोजन है। उन्होंने पाया कि निचली परत, जो सीधे प्रिंटेड सतह को छूती है, ऊपरी परत की तुलना में अधिक खिंचती है। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि दोनों परतें एक-दूसरे के विरुद्ध थोड़ा फिसल सकती हैं, जिसे इंटरलेयर स्लिपेज (interlayer slippage) कहा जाता है। यह अवलोकन महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दिखाता है कि यह विधि जटिल सामग्रियों के स्टैक के साथ भी काम करती है, जिनका उपयोग उन्नत उपकरण बनाने के लिए किया जाता है। टीम ने कई अलग-अलग उपकरणों का उपयोग करके अपने परिणामों को सत्यापित किया। उन्होंने परमाणुओं के कंपन को मापने के लिए लेजर का उपयोग किया ताकि खिंचाव की पुष्टि की जा सके, और उन्होंने सामग्री के बिजली संचालन को मापने के लिए एक सूक्ष्म विद्युत प्रोब का उपयोग किया। उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन का भी उपयोग किया ताकि भविष्यवाणी की जा सके कि सामग्री कैसे व्यवहार करेगी, और उनके वास्तविक दुनिया के माप इन भविष्यवाणियों से निकटता से मेल खाते थे।

इस कार्य के सबसे महत्वपूर्ण पहलुओं में से एक इसके परिणामों की स्थिरता है। पहले के कई प्रयासों में इन सामग्रियों को खींचने के लिए अस्थायी बलों पर भरोसा किया गया था जो जल्दी ही समाप्त हो जाते थे। इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने अपने नमूनों की जांच चार महीने बाद और फिर आठ महीने बाद फिर से की। खिंचाव बिल्कुल वैसा ही रहा, बिना किसी संकेत के कि सामग्री शिथिल हो रही है या अपना आकार खो रही है। यह दीर्घकालिक स्थिरता बताती है कि इस विधि का उपयोग उन वास्तविक उपकरणों को बनाने के लिए किया जा सकता है जिन्हें समय के साथ विश्वसनीय रूप से कार्य करने की आवश्यकता होती है। सूक्ष्म परिदृश्य प्रिंट करने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियाँ पारदर्शी थीं, जिससे शोधकर्ता बिना किसी हस्तक्षेप के परमाणु चादरों को देख और माप सके। हालांकि वर्तमान प्रिंटिंग सामग्री एक प्रकार का पॉलीमर है, शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इसी तरह की तकनीकों का उपयोग उन सामग्रियों के साथ किया जा सकता है जो कांच में बदल जाती हैं, जो इस दृष्टिकोण को भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए और भी अधिक उपयुक्त बनाएगा।

यह कार्य केवल इन सामग्रियों के व्यवहार को देखने से लेकर उनके व्यवहार को सक्रिय रूप से डिजाइन करने की ओर एक बदलाव है। सामग्री के नीचे की सतह को एक प्रोग्राम करने योग्य उपकरण मानकर, शोधकर्ताओं ने इन चादरों के इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुणों को उच्च सटीकता के साथ इंजीनियर करने का एक तरीका विकसित किया है। उन्होंने दिखाया है कि यह संभव है कि मजबूत, स्थायी खिंचाव बनाया जाए जिसे विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार ढाला जा सके, चाहे वह सामग्री को समान रूप से खींचना हो, एक दिशा में खींचना हो, या सतह पर खिंचाव का एक सुचारू ग्रेडिएंट बनाना हो। नियंत्रण का यह स्तर सेंसर, सौर सेल और कंप्यूटर चिप्स के नए प्रकारों के विकास की ओर ले जा सकता है जो हल्के, अधिक कुशल और ऐसे कार्य करने में सक्षम होंगे जो पारंपरिक सामग्रियों के लिए वर्तमान में असंभव हैं। इन सामग्रियों को महीनों तक खींची हुई अवस्था में बनाए रखने की क्षमता का अर्थ है कि ये इंजीनियर किए गए गुण केवल एक क्षणिक प्रयोग नहीं हैं, बल्कि अगली पीढ़ी की तकनीक में निर्मित एक टिकाऊ विशेषता हैं।