Rare-earth chalcogenide perovskites: A promising class of materials for optoelectronic applications

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, प्रकाश को पकड़ने या उत्सर्जित करने के लिए हम जिन सामग्रियों का उपयोग करते हैं, उन्हें लगातार नए रूप में पुनर्कल्पित किया जा रहा है। पिछले एक दशक से, पेरोव्स्काइट्स (perovskites) नामक क्रिस्टल के एक विशिष्ट परिवार ने वैज्ञानिकों की कल्पना को अपनी ओर आकर्षित किया है क्योंकि वे सौर ऊर्जा को बिजली में और इसके विपरीत बदलने में अविश्वसनीय रूप से कुशल हैं। हालांकि, इन सामग्रियों के सबसे सफल संस्करण लेड (सीसा) पर बहुत अधिक निर्भर करते हैं, जो एक जहरीली धातु है और गंभीर पर्यावरणीय एवं स्वास्थ्य जोखिम पैदा करती है। इसने शोधकर्ताओं को सुरक्षित, "लेड-मुक्त" विकल्पों की खोज करने के लिए प्रेरित किया है जो प्रकाश और बिजली के प्रबंधन के जटिल कार्य को करने में सक्षम हो सकें। एक आशाजनक मार्ग में सामान्य सामग्रियों को अलग तत्वों के सेट से बदलना शामिल है, विशेष रूप से दुर्लभ-पृथ्वी धातुओं (rare-earth metals) और चाल्कोजन (chalcogens) से बने यौगिकों की तलाश करना, जो सल्फर और सेलेनियम जैसे तत्वों का एक समूह है। इन नई सामग्रियों के साथ चुनौती यह है कि हालांकि वे कागज़ पर स्थिर दिखाई देती हैं, लेकिन प्रकाश पड़ने पर वे वास्तव में कैसे व्यवहार करती हैं, इसे समझने के लिए इलेक्ट्रॉनों और परमाणुओं की परस्पर क्रिया की अदृश्य दुनिया में झांकना आवश्यक है।

शिव नाडर संस्थान ऑफ एमिनेन्स, भारत के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विशिष्ट श्रेणी की सामग्रियों पर गहराई से अध्ययन किया है, जिसमें 'रेयर-अर्थ चाल्कोजेनाइड पेरोव्स्काइट्स' (rare-earth chalcogenide perovskites) नामक समूह पर ध्यान केंद्रित किया गया है। एक वर्चुअल प्रयोगशाला के रूप में कार्य करने वाले शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने यह देखने के लिए इन क्रिस्टल की एक श्रृंखला का परीक्षण किया कि क्या वे बनाने के लिए पर्याप्त स्थिर हैं और वे ऊर्जा के प्रवाह को कैसे संभालते हैं। उनका कार्य किसी लैब में भौतिक उपकरण बनाने के बारे में नहीं है, बल्कि सामग्री के गुणों का एक अत्यधिक सटीक डिजिटल मानचित्र बनाने के बारे में है। उन्होंने यह जाँचने से शुरुआत की कि क्या इन क्रिस्टल की परमाणु संरचनाएं बनी रहेंगी या बिखर जाएंगी, जिसमें उन्होंने सामग्रियों के यांत्रिक रूप से सुदृढ़ होने को सुनिश्चित करने के लिए परमाणुओं के कंपन का अनुकरण (simulate) किया। उन्होंने पाया कि जबकि इनमें से कुछ यौगिक पूरी तरह से स्थिर हैं, अन्य एक नाजुक अवस्था में मौजूद हैं जहाँ उन्हें वास्तविक दुनिया में संश्लेषित करने के लिए विशिष्ट स्थितियों, जैसे कि निर्माण के दौरान गर्मी या तीव्र शीतलन (rapid cooling) की आवश्यकता हो सकती है। इसके बावजूद, टीम ने पुष्टि की कि ये संरचनाएं भविष्य के उपकरणों के लिए व्यवहार्य उम्मीदवार माने जाने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं।

एक बार स्थिरता स्थापित हो जाने के बाद, शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों के इलेक्ट्रॉनिक हृदय की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया: वे ऊर्जा अंतराल (energy gaps) जो यह निर्धारित करते हैं कि वे प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। उन्होंने गणना की कि इन क्रिस्टल में 2.75 से 4.47 इलेक्ट्रॉनवोल्ट के बीच ऊर्जा अंतराल होता है। यह उन्हें ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक आदर्श स्थिति (sweet spot) में रखता है, जिसका अर्थ है कि वे दृश्य रंगों से लेकर अदृश्य पराबैंगनी (ultraviolet) रेंज तक व्यापक स्पेक्ट्रम में प्रकाश को अवशोषित और उत्सर्जित कर सकते हैं। उनके द्वारा अध्ययन की गई कुछ सामग्रियों में इलेक्ट्रॉनों के लिए ऊर्जा स्तरों के बीच कूदने के लिए एक सीधा पथ (direct path) है, जो उन्हें एलईडी (LED) जैसे उपकरणों के लिए उत्कृष्ट बनाता है जिन्हें चमक के साथ प्रकाश उत्सर्जित करने की आवश्यकता होती है। अन्य में एक अधिक अप्रत्यक्ष पथ है, जो उन उपकरणों के लिए बेहतर है जिन्हें लंबे समय तक प्रकाश का पता लगाने की आवश्यकता होती है, जैसे कि सेंसर। सिमुलेशन ने यह भी खुलासा किया कि 'होल्स' (holes), जो इन सामग्रियों में धनात्मक आवेश वाहक (positive charge carriers) हैं, ऋणात्मक इलेक्ट्रॉनों की तुलना में बहुत अधिक आसानी से चलते हैं, जिससे यह संकेत मिलता है कि ये सामग्रियां धनात्मक आवेशों का संचालन करने के लिए डिज़ाइन किए गए उपकरणों में सबसे अच्छा काम करेंगी।

सबसे आकर्षक खोज इस बात में निहित है कि ये सामग्रियां प्रकाश और पदार्थ के बीच के संबंध को कैसे संभालती हैं। जब प्रकाश एक अर्धचालक (semiconductor) से टकराता है, तो यह कणों की एक जोड़ी बना सकता है: एक इलेक्ट्रॉन और एक होल। कई सामग्रियों में, ये दोनों कण जल्दी से अलग हो जाते हैं। हालांकि, इन दुर्लभ-पृथ्वी क्रिस्टल में, शोधकर्ताओं ने पाया कि इलेक्ट्रॉन और होल आपस में मजबूती से चिपके रहते हैं, जिससे एक बंधा हुआ जोड़ा बनता है जिसे 'एक्सिटोन' (exciton) कहा जाता है। इन जोड़ों को एक साथ रखने वाली ऊर्जा महत्वपूर्ण है, जो 0.148 से 0.517 इलेक्ट्रॉनवोल्ट के बीच होती है। यह मजबूत बंधन अर्थ है कि एक्सिटोन बहुत स्थिर होते हैं और गर्मी के कारण आसानी से नहीं टूटते हैं, जो कि कुशल प्रकाश उत्सर्जन पर निर्भर उपकरणों के लिए एक महत्वपूर्ण गुण है। अध्ययन ने दिखाया कि ये एक्सिटोन मध्यम रूप से स्थानीयकृत (localized) हैं, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन और होल अपेक्षाकृत एक-दूसरे के करीब रहते हैं, जिससे प्रकाश के साथ एक मजबूत अंतःक्रिया उत्पन्न होती है जो उच्च-प्रदर्शन वाले ऑप्टिकल उपकरणों के लिए आदर्श है।

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि क्रिस्टल लैटिस के कंपन करते परमाणुओं से आवेश वाहकों (charge carriers) की गति कैसे प्रभावित होती है। जैसे ही एक इलेक्ट्रॉन या होल सामग्री के माध्यम से आगे बढ़ता है, वह अपने पीछे परमाणु संरचना में एक विरूपण (distortion) खींचता है, जिससे एक भारी, धीमी गति वाला कण बनता है जिसे 'पोलारोन' (polaron) कहा जाता है। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि यह प्रभाव काफी मजबूत है, विशेष रूप से इलेक्ट्रॉनों के लिए, जो काफी भारी और चलने में धीमे हो जाते हैं। इसके विपरीत, धनात्मक होल अपेक्षाकृत हल्के और तेज रहते हैं, जिनकी गणना की गई गतिशीलता (mobility) 40 वर्ग सेंटीमीटर प्रति वोल्ट-सेकंड तक पहुँच जाती है। यह अंतर बताता है कि जबकि इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से घूमने में संघर्ष कर सकते हैं, होल सामग्री के माध्यम से कुशलतापूर्वक तेजी से गुजर सकते हैं। इसके अलावा, अध्ययन में पाया गया कि अधिकांश यौगिकों में, स्थिर, बंधा हुआ एक्सिटोन राज्य पृथक आवेश अवस्था की तुलना में ऊर्जावान रूप से अधिक अनुकूल है, जो इस विचार को पुष्ट करता है कि ये सामग्रियां केवल आवेश पृथक्करण के बजाय प्रकाश उत्सर्जन की ओर स्वाभाविक रूप से झुकी हुई हैं।

इन निष्कर्षों को जोड़कर, यह शोध पत्र सामग्रियों की एक नई श्रेणी की स्पष्ट तस्वीर पेश करता है जो संरचनात्मक रूप से सुदृढ़, गैर-विषाक्त और विशिष्ट प्रकार की प्रकाश-आधारित तकनीक के लिए अद्वितीय रूप से उपयुक्त है। प्रकाश-प्रेरित कणों का मजबूत बंधन और धनात्मक आवेशों की कुशल गति यह संकेत देती है कि भविष्य में ये दुर्लभ-पृथ्वी चाल्कोजेनाइड पेरोव्स्काइट्स अगली पीढ़ी के लाइट-एमिटिंग डायोड और फोटोडिटेक्टरों को शक्ति प्रदान कर सकते हैं। हालांकि इन उपकरणों को बनाने का मार्ग कम स्थिर यौगिकों के संश्लेषण की चुनौती को पार करने की मांग करता है, इस शोध द्वारा स्थापित सैद्धांतिक आधार इसकी पुष्टि करता है कि इन सामग्रियों में सुरक्षित, अधिक कुशल ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स की दौड़ में गंभीर दावेदार बनने के लिए गुणों का सही संयोजन है।