Beyond Hexagonal Boron Nitride: First-Principles Study of Pentaoctite-BN and Pop-BN Monolayers
यह प्रथम-सिद्धांत (first-principles) अध्ययन प्रदर्शित करता है कि नवीन गैर-षट्कोणीय पेंटाऑक्टाइट-BN और पॉप-BN मोनोलेयर्स गतिशील, यांत्रिक और तापीय रूप से स्थिर अप्रत्यक्ष-अंतराल (indirect-gap) अर्धचालक हैं जिनके ऑप्टिकल गुण ट्यूनेबल हैं, जो उन्हें भविष्य के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक और फोटोनिक अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक उम्मीदवार बनाता है।
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सामग्री विज्ञान (materials science) की दुनिया की कल्पना एक विशाल, ब्रह्मांडीय लेगो (LEGO) सेट के रूप में करें। दशकों से, वैज्ञानिक इस सेट के एक विशिष्ट, सपाट टुकड़े से मंत्रमुग्ध रहे हैं: परमाणुओं की एक एकल परत जो एक पूर्ण हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते जैसे) पैटर्न में व्यवस्थित है। इसका सबसे प्रसिद्ध उदाहरण ग्राफीन (graphene) है, जो कार्बन परमाणुओं की एक ऐसी चादर है जो इतनी पतली है कि यह मूल रूप से द्वि-आयामी (two-dimensional) है, और अपनी अविश्वसनीय मजबूती और चालकता के लिए जानी जाती है। ग्राफीन के ठीक बगल में, इसी परमाणु पड़ोस में, हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड (h-BN) स्थित है। यह लगभग ग्राफीन जैसा ही दिखता है—वही हनीकॉम्ब आकार, वही सपाटपन—लेकिन यह बहुत अलग व्यवहार करता है। जहाँ ग्राफीen बिजली को एक राजमार्ग की तरह संचालित करता है, वहीं h-BN एक इंसुलेटर (कुचालक) है, एक ऐसी सामग्री जो बिजली को रोकती है, एक मजबूत, अदृश्य दीवार की तरह कार्य करती है। इसी कारण से, वैज्ञानिक h-BN का उपयोग एक सुरक्षात्मक कंबल या अन्य सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के आधार के रूप में करने के लिए पसंद करते हैं।
लेकिन क्या होगा यदि हम उन्हीं निर्माण खंडों—बोरॉन और नाइट्रोजन परमाणुओं—को ले सकें और उन्हें एक पूरी तरह से अलग आकार में जोड़ सकें? उस बोरिंग, पूर्ण हनीकॉम्ब के बजाय, क्या होगा यदि हम पंचकोणों (पांच-भुजाओं वाले आकार) और अष्टकोणों (आठ-भुजाओं वाले आकार) से बनी एक जाली (lattice) का निर्माण करें? यही वह प्रश्न है जो एक नए अध्ययन के केंद्र में है। वैज्ञानिक हमेशा "मेटास्टेबल" (metastable) सामग्रियों की तलाश में रहते हैं: ऐसी संरचनाएं जो सबसे सामान्य या प्राकृतिक व्यवस्था नहीं हैं, लेकिन यदि आप उन्हें बना सकें तो वे अस्तित्व में रहने के लिए पर्याप्त स्थिर हैं। इसे एक रेत के महल की तरह समझें; समुद्र (प्रकृति) पसंद करता है कि रेत समुद्र तट पर सपाट रहे, लेकिन पर्याप्त प्रयास के साथ, आप एक ऐसा महल बना सकते हैं जो कुछ समय के लिए ऊंचा खड़ा रह सके। यदि ये नए, अजीब आकार के परमाणु महल स्थिर निकलते हैं और इनमें नई अद्भुत शक्तियां होती हैं, तो वे सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक्स, लेजर और सेंसर बनाने के तरीके में क्रांति ला सकते हैं।
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके बोरॉन नाइट्राइड मोनोलेयर्स के दो बिल्कुल नए संस्करणों को डिजाइन और टेस्ट किया, जिन्हें उन्होंने "पेंटाओक्टाइट-बीएन" (PO-BN) और "पॉप-बीएन" (PP-BN) नाम दिया। ये नाम परमाणुओं के अनूठे विन्यास से आते हैं: पांच-भुजाओं और आठ-भुजाओं वाली रिंगों का एक दोहराव वाला पैटर्न, न कि सामान्य छह-भुजाओं वाला हनीकॉम्ब। टीम ने हजारों गणनाएँ कीं यह देखने के लिए कि क्या ये संरचनाएं बिखर जाएंगी या क्या वे वास्तव में एकजुट रह सकती हैं। उन्होंने जांचा कि क्या परमाणु कंपन करेंगे और टूट जाएंगे (गतिक स्थिरता/dynamical stability), क्या सामग्री दबाव में ढह जाएगी (यांत्रिक स्थिरता/mechanical stability), और क्या वे गर्मी में जीवित रह पाएगी (तापीय स्थिरता/thermal stability)।
परिणाम उत्साहजनक थे। भले ही ये नए आकार मानक हनीकॉम्ब संस्करण की तुलना में थोड़े कम ऊर्जा-कुशल हैं, सिमुलेशन ने दिखाया कि वे अस्तित्व में रहने के लिए पर्याप्त स्थिर हैं। वे स्वतः ही नहीं ढहते, वे खिंचने या दबने को झेल सकते हैं, और वे कमरे के तापमान पर भी बरकरार रहते हैं। हालांकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि ये नई सामग्रियां मूल h-BN से बहुत अलग व्यवहार करती हैं। जहाँ मानक संस्करण एक वाइड-गैप इंसुलेटर है (मतलब, बिजली बहने देने के लिए इसे भारी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है), ये नए पंचकोण-अष्टकोण संस्करण सेमीकंडक्टर (अर्धचालक) हैं। यह एक बड़ी बात है क्योंकि सेमीकंडक्टर आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के कार्यवाहक होते हैं; उन्हें जानकारी संसाधित करने के लिए चालू और बंद किया जा सकता है।
सबसे रोमांचक खोज प्रकाश से संबंधित है। शोधकर्ताओं ने यह सिम्युलेट किया कि ये सामग्रियां प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं, और परिणाम रेडियो को विभिन्न स्टेशनों पर ट्यून करने जैसे थे। मानक हनीकॉम्ब बोरॉन नाइट्राइड केवल पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश (वह प्रकार जो आपको सनबर्न देता है लेकिन मानव आंखों के लिए अदृश्य है) के साथ इंटरैक्ट करता है। लेकिन परमाणु जाली के आकार को बदलकर, शोधकर्ता इस परस्पर क्रिया को स्थानांतरित करने में सफल रहे। PO-BN संस्करण दृश्य स्पेक्ट्रम (वे रंग जिन्हें हम देख सकते हैं) में प्रकाश को अवशोषित करना शुरू कर देता है, और PP-BN संस्करण और भी आगे जाता है, फाइबर-ऑप्टिक इंटरनेट केबल और दूरसंचार में उपयोग किए जाने वाले इन्फ्रारेड प्रकाश के साथ इंटरैक्ट करता है।
इसके अलावा, ये सामग्रियां प्रकाश की दिशा के प्रति बहुत चयनात्मक हैं। क्योंकि उनकी परमाणु रिंगें एक विशिष्ट, खींचे हुए पैटर्न में व्यवस्थित हैं, वे प्रकाश के कंपन करने के तरीके के आधार पर अलग-अलग तरह से प्रकाश को अवशोषित करती हैं। यह "एनिसोट्रॉपी" (anisotropy) का अर्थ है कि वे प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) का पता लगाने वाले उपकरण बनाने के लिए एकदम सही हो सकते हैं, जो उन्नत कैमरों और सुरक्षित संचार के लिए उपयोगी है। अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि इन सामग्रियों में एक मजबूत "एक्सिटोनिक" (excitonic) प्रभाव है, जिसका अर्थ है कि जब वे प्रकाश को अवशोषित करती हैं, तो इलेक्ट्रॉन और उनके द्वारा छोड़े गए "छेद" (holes) एक साथ मजबूती से चिपक जाते हैं, जिससे प्रकाश के प्रति बहुत कुशल प्रतिक्रिया उत्पन्न होती है।
संक्षेप में, यह पेपर सुझाव देता है कि केवल एक नए ज्यामितीय पैटर्न में उन्हीं परमाणुओं को पुनर्व्यवस्थित करके, हम एक बोरिंग इंसुलेटर को एक बहुमुखी सेमीकंडक्टर में बदल सकते हैं जो दृश्य और इन्फ्रारेड प्रकाश को देख सकता है। हालांकि इन सामग्रियों को अभी तक लैब में नहीं बनाया गया है (यह सब कंप्यूटर पर किया गया था), सिमुलेशन दिखाते हैं कि वे स्थिर हैं और अगले चरण के लिए तैयार हैं। यह एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' है कि किसी सामग्री की वास्तुकला (architecture) उसके रासायनिक तत्वों जितने ही महत्वपूर्ण हैं, जो ट्यूनेबल, प्रकाश-संवेदनशील उपकरणों की एक नई पीढ़ी के द्वार खोलता है।
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