Homogeneous All-Inorganic Perovskite Films via High-Pressure Recrystallization

प्रकाश और इलेक्ट्रॉन की दुनिया की कल्पना एक हलचल भरे शहर के रूप में करें जहाँ फोटॉन (प्रकाश कण) और इलेक्ट्रॉन (बिजली के कण) नागरिक हैं। बेहतर सौर पैनल, चमकीली स्क्रीन या तेज़ लेज़र बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को इन कणों के यात्रा करने के लिए आदर्श "राजमार्ग" (highways) बनाने की आवश्यकता होती है। ये राजमार्ग विशेष सामग्रियों से बने होते हैं जिन्हें पेरोव्स्काइट्स (perovskites) कहा जाता है। पेरोव्स्काइट्स को एक जादुई, लेगो (Lego) जैसे क्रिस्टल के रूप में सोचें जो सूरज की रोशनी को पकड़ सकता है और उसे बिजली में बदल सकता है, या बिजली को लेकर शानदार रोशनी में बदल सकता है। हालाँकि, इन राजमार्गों का निर्माण करना कठिन है। जब वैज्ञानिक तरल घोल (जैसे दीवार पर पेंट करना) का उपयोग करके इन्हें बनाने की कोशिश करते हैं, तो क्रिस्टल अक्सर बेतरतीब ढंग से बढ़ते हैं, जिससे अंतराल, उभार और अलग-अलग प्रकार की ईंटें आपस में मिल जाती हैं। यह एक ढेर उबड़-खाबड़ चट्टानों से एक चिकना रेस ट्रैक बनाने की कोशिश करने जैसा है; कारें (प्रकाश और बिजली) टकरा जाती हैं, फंस जाती हैं या धीमी हो जाती हैं, जिससे पूरा सिस्टम अक्षम हो जाता है। बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक पूछ रहे हैं वह यह है: हम इस बेतरतीब, तरल-निर्मित क्रिस्टल को बिना इसे पिघलाए या अजीब रसायन जोड़े, एक पूरी तरह से चिकने, सुपर-मजबूत राजमार्ग में कैसे बदल सकते हैं?

यह शोध पत्र इस समस्या के एक चतुर समाधान की कहानी बताता है। शोधकर्ताओं ने CsPbBr3 नामक एक विशिष्ट प्रकार के पेरोव्स्काइट के मानक, बेतरतीब फिल्मों को लिया और उन्हें एक उच्च-दबाव वाला "स्पा ट्रीटमेंट" दिया। केवल गर्म करने के बजाय, उन्होंने फिल्मों को एक सपाट सांचे और एक सतह के बीच 300 बार (bar) तक के बल के साथ दबाया (जो कि एक छोटे कार के वजन के बराबर है जो फिल्म के हर वर्ग इंच पर दबाव डालता है)। परिणाम एक परिवर्तन था। बेतरतीब, ऊबड़-खाबड़ और छेद वाली फिल्मों को चिकनी, दर्पण जैसी चादरों में दबा दिया गया जिसमें लगभग कोई खुरदरापन नहीं था। ये नई फिल्में इतनी उत्तम थीं कि वे पुराने वाले की तुलना में बहुत अधिक आसानी से प्रकाश को प्रवर्धित (amplify) कर सकती थीं, जो एक अत्यंत कुशल लेज़र सामग्री के रूप में कार्य करती थीं। यह अध्ययन दिखाता है कि यह सरल "दबाने" (squishing) की विधि उच्च-गुणवत्ता वाले क्रिस्टल बनाने का एक विश्वसनीय तरीका है, जो यह सिद्ध करता है कि कभी-कभी, एक बेतरतीब स्थिति को ठीक करने का सबसे अच्छा तरीका थोड़ा दबाव डालना होता है।

बेतरतीब पहले का दृश्य: उबड़-खाबड़ चट्टानों का ढेर

जादू होने से पहले, वैज्ञानिकों ने उन मानक फिल्मों को देखा जिन्हें उन्होंने एक सतह पर तरल घुमाकर (spinning) बनाया था। वे फिल्में पूर्णता से कोसों दूर थीं। सूक्ष्मदर्शी के नीचे, वे बिखरे हुए छोटे द्वीपों के परिदृश्य की तरह दिखते थे जिनके बीच गहरे दरारें और छेद (पिनहोल्स) थे। सतह अविश्वसनीय रूप से ऊबड़-खाबड़ थी, जिसका खुरदरापन लगभग 25 से 36 नैनोमीटर था (कल्पना कीजिए कि यदि फिल्म एक फुटबॉल के मैदान के आकार की होती तो यह एक पर्वत श्रृंखला की तरह होती)। इन अंतरालों और उभारों के कारण, फिल्म के माध्यम से यात्रा करने वाला प्रकाश हर जगह बिखर जाता, जैसे टूटे हुए कांच के ढेर पर टॉर्च की रोशनी पड़ती है। इसके अलावा, अंदर के क्रिस्टल भी एक जैसे नहीं थे; कुछ सही आकार के थे, जबकि कुछ अन्य प्रकार के मिले हुए थे, जिससे एक अराजक वातावरण बन रहा था जो ऊर्जा को बर्बाद कर रहा था।

प्रेशर कुकर: खुरदरेपन को चिकना करना

इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी मशीन का उपयोग किया जो एक विशाल, सटीक प्रेस की तरह काम करती थी। उन्होंने ऊबड़-खाबड़ फिल्मों को 150°C के तापमान पर 300 बार के दबाव पर दबाया। प्रभाव तत्काल और नाटकीय था। क्रिस्टल के "द्वीप" आपस में जुड़ने और समतल होने के लिए मजबूर हो गए। छेद गायब हो गए, और सतह एक शांत झील की तरह चिकनी हो गई, जिसमें खुरदरापन घटकर 1 नैनोमीटर से भी कम रह गया। यह ऐसा था मानो दबाव ने नुकीले किनारों को बस इतना पिघला दिया हो कि क्रिस्टल बिना पूरे ढांचे को पिघलाए एक आदर्श, घने विन्यास में फिसल सकें।

वैज्ञानिकों ने यह भी पाया कि वे "क्रिस्टल सूप" (प्रिकर्सर सांद्रता) की मात्रा बदलकर फिल्म की मोटाई को नियंत्रित कर सकते थे। दबाने के बाद भी, फिल्में ट्यूनेबल (tunable) बनी रहीं: 0.23 M सांद्रता से शुरू करने पर लगभग 61 नैनोमीटर मोटी फिल्म मिली, जबकि 0.40 M सांद्रता से लगभग 115 नैनोमीटर मोटी फिल्म मिली। दबाव ने उन्हें केवल चिकना ही नहीं किया; इसने उन्हें अधिक घना भी बना दिया, जिससे कुछ मामलों में मूल फिल्मों की मोटाई लगभग आधी हो गई।

दर्पण प्रभाव: हाईवे पर प्रकाश

सबसे रोमांचक हिस्सा तब हुआ जब उन्होंने इन नई, चिकनी फिल्मों पर प्रकाश डाला। क्योंकि सतह इतनी सपाट थी और क्रिस्टल इतने व्यवस्थित थे, इसलिए प्रकाश बिखरा नहीं। इसके बजाय, यह फिल्म के अंदर फंस गया, एक चिकने, घुमावदार कटोरे में लुढ़कती हुई मार्बल की तरह आगे-पीछे उछलता रहा। इसे "वेवगाइडिंग" (waveguiding) कहा जाता है। जब वैज्ञानिकों ने फिल्म में पर्याप्त ऊर्जा डाली, तो कुछ विशेष हुआ: प्रकाश खुद को प्रवर्धित करने लगा। इसे एम्प्लीफाइड स्पोंटेनियस एमिशन (ASE) कहा जाता है, जो लेजर के पीछे का मूल सिद्धांत है।

अंतर बहुत बड़ा था। पुरानी, ऊबड़-खाबड़ फिल्मों को प्रकाश को प्रवर्धित करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता थी, और वे जल्दी थक जाती थीं और काम करना बंद कर देती थीं। हालाँकि, नई, दबी हुई फिल्मों ने बहुत कम ऊर्जा के साथ—केवल 2 से 3.9 माइक्रोजूल प्रति वर्ग मिलीमीटर—प्रकाश को प्रवर्धित करना शुरू कर दिया। यह पुराने फिल्मों की तुलना में सात गुना से भी अधिक आसान है! इसके अलावा, ये नई फिल्में बिना टूटे बहुत अधिक ऊर्जा को संभाल सकती थीं, तीव्र प्रकाश होने पर भी स्थिर और चमकदार बनी रहीं। यह एक नाजुक कागज की नाव की तुलना करने जैसा है जो छोटी लहर में डूब जाती है बनाम एक मजबूत स्टील के जहाज की तुलना करने जैसा जो तूफान का सामना कर सकता है।

आकार बदलने वाले क्रिस्टल

शोधकर्ता यह भी देखना चाहते थे कि उनके क्रिस्टल गर्म होने पर कैसा व्यवहार करते हैं। उन्होंने फिल्मों को गर्म किया और एक्स-रे का उपयोग करके उनके आकार में परिवर्तन को देखा। उन्होंने देखा कि तापमान बढ़ने के साथ क्रिस्टल आयताकार (orthorhombic) से वर्गाकार (tetragonal) और अंततः घन (cubic) आकार में बदल गए। यह कुछ ऐसा है जो आमतौर पर केवल पूर्ण, एकल क्रिस्टल में देखा जाता है, बेतरतीब फिल्मों में नहीं। तथ्य यह है कि वे अपने दबे हुए फिल्मों में इसे देख सके, यह सिद्ध करता है कि क्रिस्टल इतने उच्च गुणवत्ता के हो गए थे कि वे छोटे, बेतरतीब ढेर के बजाय एक विशाल, एकल क्रिस्टल की तरह व्यवहार कर रहे थे। जब उन्होंने फिल्मों को वापस ठंडा किया, तो क्रिस्टल अपने मूल आकार में वापस आ गए, जिससे पता चला कि यह प्रक्रिया प्रतिवर्ती (reversible) और स्थिर थी।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह शोध पत्र केवल एक सुंदर चित्र नहीं दिखाता है; यह एक व्यावहारिक नुस्खा प्रदान करता है। उच्च दबाव का उपयोग करके, वैज्ञानिकों ने पाया कि वे जहरीले रसायनों या जटिल चरणों की आवश्यकता के बिना इन विशेष क्रिस्टल को बना सकते हैं। उन्होंने सिद्ध किया कि आप एक मानक, बेतरतीब फिल्म को केवल दबाकर एक उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्री में बदल सकते हैं। यह बेहतर सौर सेल, चमकीली रोशनी और अधिक कुशल लेजर बनाने का मार्ग प्रशस्त करता है जो बनाने में आसान और सस्ते हैं। अध्ययन सुझाव देता है कि यदि हम इन सामग्रियों को विशिष्ट आकारों में दबा सकते हैं (जैसे कि एक सपाट सांचे के बजाय कुकी कटर का उपयोग करना), तो हम भविष्य के कंप्यूटरों और सेंसरों के लिए छोटे, कस्टम-मेड ऑप्टिकल उपकरण भी बना सकते हैं, और यह सब सामग्री को शुद्ध और मजबूत रखते हुए किया जा सकता है।