Amorphization-Mediated Si-I to Si-V Phase Transition and Reversible Amorphous-Si-V Phase Memory in Silicon Nanoparticles
मशीन लर्निंग पोटेंशियल के साथ आणविक गतिशीलता (मॉलिक्यूलर डायनेमिक्स) सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रकट करता है कि 10 nm सिलिकॉन नैनोकण एक तनाव त्रियकता (स्ट्रेस ट्राइएक्सिलिटी)-प्रेरित, एक मध्यवर्ती अमोर्फस शेल द्वारा मध्यस्थ दो-चरणीय Si-I से Si-V चरण संक्रमण से गुजरते हैं, जो बाद में चक्रीय लोडिंग पर एक प्रतिवर्ती अमोर्फस-टू-Si-V चरण स्मृति प्रभाव प्रदर्शित करता है।
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सिलिकॉन आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की नींव है, वह सामग्री जो स्मार्टफोन से लेकर सौर पैनलों तक सब कुछ संचालित करती है। लेकिन एक कंप्यूटर चिप के रूप में अपनी भूमिका से परे, सिलिकॉन जब दबाया जाता है तो एक गिरगिट की तरह व्यवहार करता है। अत्यधिक दबाव के तहत, इसके परमाणु खुद को पूरी तरह से अलग क्रिस्टल संरचनाओं में पुनर्गठित कर सकते हैं, जिनमें से प्रत्येक के अद्वितीय गुण होते हैं। वैज्ञानिकों को लंबे समय से पता है कि यदि आप सिलिकॉन के एक बड़े ब्लॉक पर दबाव डालते हैं, तो यह परिवर्तन के एक अनुमानित पथ का अनुसरण करता है, अपने मानक रूप से बदलकर एक सघन, धात्विक अवस्था में परिवर्तित हो जाता है। हालाँकि, जब सिलिकॉन को सिकोड़कर एक नन्हे कण—एक नैनोपार्टिकल—के आकार का बना दिया जाता है, तो नियम बदलते हुए प्रतीत होते हैं। इन सूक्ष्म कणों की सतह अपने आसपास के वातावरण के साथ उन तरीकों से परस्पर क्रिया करती है जैसे बल्क (bulk) सामग्री नहीं करती, जो दबाव के दौरान परमाणुओं को एक पूरी तरह से अलग मार्ग अपनाने के लिए मजबूर कर सकती है। इन सूक्ष्म कणों के व्यवहार को समझना भविष्य की तकनीकों को विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण है, फिर भी इन परिवर्तनों के दौरान वे सटीक चरण क्या लेते हैं, वे वर्तमान प्रयोगात्मक उपकरणों की सीमाओं के कारण छिपे रहे हैं।
इन छिपे हुए चरणों को उजागर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने डिजिटल प्रयोग के एक शक्तिशाली रूप की ओर रुख किया। उन्होंने एक एकल सिलिकॉन नैनोपार्टिकल का कंप्यूटर मॉडल बनाया, जो केवल दस नैनोमीटर व्यास का था, और इसे सभी दिशाओं से सिमटने वाले बल के अधीन किया, जो उच्च-दबाव वाले प्रयोगशाला प्रयोग की स्थितियों की नकल करता है। क्योंकि परमाणु बहुत तेजी से चलते हैं और बल बहुत जटिल होते हैं जिन्हें मानक कंप्यूटर मॉडल सटीक रूप से पकड़ नहीं पाते, टीम ने सिमुलेशन को निर्देशित करने के लिए एक परिष्कृत आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस टूल का उपयोग किया। क्वांटम भौतिकी के नियमों पर प्रशिक्षित इस टूल ने उन्हें वास्तविक समय में परमाणुओं के विस्थापन को उस स्तर के विवरण के साथ देखने की अनुमति दी, जो एक भौतिक प्रयोगशाला में प्राप्त करना असंभव है। उन्होंने जो खोजा वह एक आश्चर्य था: नैनोपार्टिकल सीधे अपनी मूल अवस्था से अंतिम, उच्च-दबाव वाली अवस्था में नहीं कूदा। इसके बजाय, इसने एक दो-चरणीय यात्रा की जिसमें एक अस्थायी, अव्यवस्थित अवस्था शामिल थी।
जब सिम्युलेटेड दबाव बढ़ने लगा, तो नैनोपार्टिकल का बाहरी कवच तुरंत एक नए क्रिस्टल में परिवर्तित नहीं हुआ। इसके बजाय, सतह के परमाणुओं ने अपनी व्यवस्थित व्यवस्था खो दी, और एक अराजक, कांच जैसी अवस्था में बदल गए जिसे अमोर्फस (amorphous) सिलिकॉन कहा जाता है। यह उन क्षेत्रों में सबसे पहले हुआ जहाँ दबाव असमान था, जिससे कण के अभी भी व्यवस्थित कोर के चारों ओर एक नरम, अव्यवस्थित कवच बन गया। जैसे-जैसे दबाव और बढ़ा, यह अमोर्फस कवच केवल वहीं स्थिर नहीं रहा; यह फिर से बदलने लगा। कण के विशिष्ट कोनों में जहाँ दबाव सबसे तीव्र और समान था, अव्यवस्थित परमाणु अचानक एक नई, अत्यधिक व्यवस्थित क्रिस्टल संरचना में वापस आ गए। यह अवस्था सिलिकॉन का एक सघन, सरल षट्कोणीय (hexagonal) रूप है जिसे प्रयोगों में देखा गया था, लेकिन इन सूक्ष्म कणों में इसकी उत्पत्ति एक रहस्य बनी हुई थी। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि अमोर्फस अवस्था कोई गलती या मृत अंत नहीं थी, बल्कि एक आवश्यक सेतु थी जिसने परमाणुओं को इस नई, स्थिर रूप में खुद को पुनर्गठित करने की अनुमति दी।
कहानी दबाव कम होने पर समाप्त नहीं हुई। जब शोधकर्ताओं ने कण को अनलोड (unload) करने का सिमुलेशन किया, तो नई क्रिस्टल संरचना बस अपने मूल रूप में वापस नहीं लौटी। इसके बजाय, यह अव्यवस्थित, अमोर्फस अवस्था में वापस ढह गई। इसने एक अनूठा मेमोरी प्रभाव (memory effect) पैदा किया। जब कण को दूसरी बार दबाया गया, तो उसे अपनी मूल क्रिस्टल संरचना को तोड़ने की कठिन प्रक्रिया से गुजरने की आवश्यकता नहीं पड़ी। इसने अमोर्फस अवस्था से शुरुआत की और सीधे उच्च-दबाव वाले क्रिस्टल में परिवर्तित हो गया। इस प्रतिवर्ती चक्र (reversible cycle) ने प्रदर्शित किया कि नैनोपार्टिकल ने अपने पिछले परिवर्तन को "याद" रखा था, एक ऐसी संरचनात्मक अवस्था को बनाए रखा जिसने इसे एक अव्यवस्थित कांच और एक सघन क्रिस्टल के बीच आसानी से स्विच करने की अनुमति दी।
शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि क्या यह व्यवहार कण के आकार या सिमुलेशन की गति के विशिष्ट है। उन्होंने पाया कि जब उन्होंने अपने मॉडल में परमाणुओं को स्थिर होने के लिए अधिक समय देने के लिए प्रक्रिया को धीमा कर दिया, तब भी मध्यवर्ती अमोर्फस अवस्था दिखाई दी, जिससे यह संकेत मिलता है कि यह इन नन्हे कणों के व्यवहार का एक मौलिक हिस्सा है, न कि केवल इस बात का परिणाम कि कंप्यूटर ने गति की गणना कितनी तेजी से की। हालांकि सिमुलेशन ने दिखाया कि पथ में यह अस्थायी कांच जैसी अवस्था शामिल है, लेकिन अध्ययन से प्रेरित वास्तविक भौतिक प्रयोगों में यह मध्यवर्ती अवस्था नहीं देखी गई। शोधकर्ता बताते हैं कि एक वास्तविक प्रयोगशाला में, यह प्रक्रिया इतनी तेजी से हो सकती है कि अमोर्फस अवस्था अंतिम क्रिस्टल बनने से पहले केवल एक क्षण के लिए अस्तित्व में रहती है, जिससे यह वर्तमान माप उपकरणों के लिए अदृश्य हो जाती है। उनका कार्य बताता है कि अमोल्फस अवस्था संभवतः वहां मौजूद है, एक छिपे हुए मील के पत्थर के रूप में कार्य कर रही है जो इस परिवर्तन को संभव बनाती है।
यह खोज सिलिकॉन के नैनोस्केल पर व्यवहार के बारे में वैज्ञानिकों के दृष्टिकोण को बदल देती है। यह दिखाता है कि एक छोटे कण की सतह यह निर्धारित करने में प्रमुख भूमिका निभाती है कि वह दबाव के तहत कैसे बदलता है, जिससे परमाणु एक अव्यवस्थित मध्यवर्ती चरण के माध्यम से गुजरते हैं जिसे बल्क सिलिकॉन टाल देता है। इस दो-चरणीय पथ को प्रकट करके, अध्ययन सिलिकॉन नैनोपार्टिकल्स की यांत्रिक सीमाओं और संभावनाओं की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि इन सूक्ष्म कणों में एक प्रकार की संरचनात्मक स्मृति होती है, जो विभिन्न अवस्थाओं के बीच चक्रित होने में सक्षम है जिसे भविष्य की सामग्रियों के लिए उपयोग किया जा सकता है। यह कार्य पुष्टि करता है कि सूक्ष्म दुनिया को नियंत्रित करने वाले नियम मैक्रोस्कोपिक (macroscopic) दुनिया से भिन्न हैं, और कभी-कभी, एक नई व्यवस्था की स्थिति तक पहुँचने के लिए, पदार्थ को पहले अराजकता की स्थिति से गुजरना पड़ता है।
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