Thickness-dependent crack suppression and wrinkle formation in freestanding BaTiO3 membranes
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि फ्रीस्टैंडिंग BaTiO3 झिल्लियों में दरार के दमन और झुर्री बनने के बीच के ट्रेड-ऑफ को ऑक्साइड और पॉलीमर सपोर्ट की मोटाई को संयुक्त रूप से ट्यून करके अनुकूलित किया जा सकता है, जो उच्च-गुणवत्ता वाले फेरोइलेक्ट्रिक ऑक्साइड को सिलिकॉन-आधारित उपकरणों में एकीकृत करने के लिए महत्वपूर्ण प्रसंस्करण दिशानिर्देश प्रदान करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसा सुपर-फास्ट, सुपर-एफिशिएंट कंप्यूटर बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो आपकी जेब में समा सके। ऐसा करने के लिए, इंजीनियर इन "मेमोरी स्विचों" को सीधे उन सिलिकॉन चिप्स पर फिट करना चाहते हैं जो हमारे फोन और लैपटॉप को शक्ति देते हैं। ये स्विच विशेष सामग्रियों से बने होते हैं जिन्हें फेरोइलेक्ट्रिक ऑक्साइड कहा जाता है, जो अपनी आंतरिक विद्युत दिशा को बदलकर डेटा को याद रख सकते हैं, जैसे कि एक छोटा चुंबक। लेकिन इसमें एक पेंच है, ये सामग्रियां आमतौर पर कठोर, सख्त क्रिस्टल प्लेटों पर उगाई जाती हैं। एक लचीली चिप पर इन्हें रखने के लिए, वैज्ञानिकों को इन्हें एक स्टिकर की तरह उतारकर किसी नई चीज़ पर चिपकाना पड़ता है।
समस्या यह है कि ये "स्टिकर" अविश्वसनीय रूप से पतले और नाजुक होते हैं। जब आप इन्हें उतारते हैं, तो वे अक्सर तनाव में आ जाते हैं। इसे गीली मिट्टी के एक टुकड़े को खींचने जैसा समझें; यदि आप इसे बहुत ज़ोर से खींचते हैं, तो यह या तो टूट जाता है (दरार पड़ जाती है) या यह पूरी तरह से ऊबड़-खाबड़ और झुर्रीदार हो जाता है। यदि इसमें दरार आती है, तो मेमोरी स्विच टूट जाता है। यदि इसमें झुर्रियां पड़ती हैं, तो सिग्नल गड़बड़ा जाता है। वैज्ञानिक इन परतों को बिना खराब किए उतारने का तरीका खोजने की कोशिश कर रहे थे, इस उम्मीद में कि वे इन्हें चिकना और अटूट बना सकें ताकि वे हमारे भविष्य के गैजेट्स में काम आ सकें।
इस अध्ययन में, तकनीकी विश्वविद्यालय डेनमार्क के शोधकर्ताओं ने इन अल्ट्रा-थिन फिल्मों के साथ "गोल्डीलॉक्स" (Goldilocks) का खेल खेलने का निर्णय लिया। वे बेरियम टाइटेनेट (BaTiO₃) नामक एक विशिष्ट सामग्री को देख रहे थे, जो मेमोरी डिवाइस की दुनिया में एक प्रमुख खिलाड़ी है। वे यह देखना चाहते थे कि फिल्म की मोटाई और स्थानांतरण के दौरान उसे थामे रखने वाली सहायक परत (सपोर्ट लेयर) की मोटाई बदलने से क्या होता है।
बेरियम टाइटेनेट फिल्म को एक बहुत ही पतली कागज की शीट के रूप में और सपोर्ट लेयर (एक पॉलीमर जिसे CAB कहा जाता है) को उस मोटे कार्डबोर्ड के रूप में समझें जिससे आप उसे स्थानांतरित करने से पहले टेप से चिपकाते हैं। वैज्ञानिकों ने 5, 10, 12 और 15 नैनोमीटर मोटी फिल्में बनाईं। (एक नैनोमीटर इतना छोटा होता है कि कागज की एक शीट उनके 80,000 ढेर के बराबर होती है)। उन्होंने एक दिलचस्प ट्रेड-ऑफ पाया। जब फिल्म मोटी (12 या 15 नैनोमीटर) थी, तो वह सख्त थी। जब उन्होंने इसे निकाला, तो तनाव इसे झेलने के लिए बहुत अधिक था, इसलिए यह टूट गई, जिससे सतह पर बड़ी, दृश्यमान दरारें बन गईं। यह एक मोटे, सख्त सूखे पास्ता की तरह था जिसे मोड़ने की कोशिश करने पर टूट जाता है।
हालाँकि, जब उन्होंने फिल्म को पतला बनाया (5 या 10 नैनोमीटर), तो कुछ जादुई हुआ। दरारें गायब हो गईं! फिल्म इतनी पतली और लचीली थी कि टूटने के बजाय, इसने बकलिंग (buckle) करना शुरू कर दिया। इसने बारीक, घनी झुर्रियां बनाना शुरू कर दिया, जैसे कि टिश्यू पेपर का एक मुड़ा हुआ टुकड़ा। शोधकर्ताओं ने 10 और 12 नैनोमीटर के बीच एक "क्रॉसओवर पॉइंट" की खोज की। इस मोटाई से कम होने पर, फिल्म दरार पड़ने के बजाय झुर्रियां बनाना पसंद करती है। यह बताता है कि यदि आप बड़ी, टूटी हुई दरारों से बचना चाहते हैं, तो आपको इसे पतला करना होगा, लेकिन आपको यह स्वीकार करना होगा कि सतह थोड़ी ऊबड़-खाबड़ हो सकती है।
टीम ने "कार्डबोर्ड" सपोर्ट के साथ भी प्रयोग किया। उन्होंने फिल्म को 10 नैनोमीटर की आदर्श मोटाई पर रखा और पॉलीमर सपोर्ट की मोटाई को 200 से 500 माइक्रोमीटर तक बदला। उन्होंने पाया कि सपोर्ट की मोटाई ने झुर्रियों के स्वरूप को बदल दिया। दिलचस्प बात यह है कि एक मध्यम मोटाई (लगभग 300 से 400 माइक्रोमीटर) ने झुर्रियों को बहुत पतले या बहुत मोटे सपोर्ट की तुलना में कम गंभीर बना दिया। ऐसा लगता है जैसे सपोर्ट लेयर की एक "बिल्कुल सही" कठोरता होती है जो फिल्म को बहुत अधिक मुड़ने के बजाय आराम करने में मदद करती है, हालांकि वैज्ञानिक नोट करते हैं कि पॉलीमर के सूखने या चिपकने जैसे अन्य कारक भी इसमें शामिल हो सकते हैं।
अंत में, शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि क्या इन निकाली गई फिल्मों का वास्तव में मेमोरी स्विच के रूप में उपयोग किया जा सकता है। उन्होंने फिल्म पर पैटर्न लिखने के लिए एक छोटी सुई का उपयोग किया, जिससे इसकी विद्युत स्थिति को बदलने की कोशिश की गई। मूल कठोर क्रिस्टल पर, फिल्म ने बिल्कुल सही प्रतिक्रिया दी। लेकिन एक बार जब इसे निकाला गया और अपने नए सपोर्ट पर तैरने के लिए छोड़ दिया गया, तो इसकी प्रतिक्रिया अव्यवस्थित हो गई। जो पैटर्न उन्होंने लिखे थे, वे समय के साथ धुंधले पड़ने लगे और बदलने लगे। यह गीली रेत पर नोट लिखने जैसा है; हवा (या इस मामले में, ठोस आधार की कमी और हवा की उपस्थिति) इसे मिटाना शुरू कर देती है। वैज्ञानिक सुझाव देते हैं कि एक ठोस आधार के बिना, विद्युत आवेश भ्रमित हो जाता है, और "मेमोरी" उतनी स्थिर नहीं होती जितनी उसे होनी चाहिए।
तो, निष्कर्ष क्या है? यह शोध पत्र सुझाव देता है कि इन फिल्मों को पतला बनाना (लगभग 10 नैनोमीटर) उन्हें टूटने से रोकने का एक शानदार तरीका है, लेकिन यह झुर्रियों या विद्युत सिग्नल की स्थिरता की समस्या को हल नहीं करता है। हालांकि उन्होंने बड़ी दरारों को रोकने का तरीका ढूंढ लिया है, लेकिन एक पूर्ण, चिकनी और स्थिर फिल्म बनाने की यात्रा अभी पूरी नहीं हुई है। उन्हें अभी भी झुर्रियों को चिकना करने और विद्युत संकेतों को समय के साथ फीका पड़ने से रोकने का तरीका खोजना बाकी है।
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