Engineering Plasmons in Oxide/Graphene Heterostructures via Interfacial Charge Transfer
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ग्राफीन पर अल्ट्राथिन ऑक्साइड ओवरलेयर्स, विशेष रूप से MoOx, को जमा करने से इंटरफेशियल चार्ज ट्रांसफर के माध्यम से इन्फ्रारेड सरफेस प्लास्मोंस की मजबूत, ट्यूनेबल इंजीनियरिंग सक्षम होती है, जिसके परिणामस्वरूप स्केलेबल ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए उन्नत प्लास्मोनिक प्रदर्शन और दीर्घकालिक स्थिरता प्राप्त होती है।
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जब प्रकाश को एक एकल तरंग दैर्ध्य (wavelength) से भी छोटे स्थानों में दबा दिया जाता है, तो वह अजीब तरीके से व्यवहार करता है। नैनोटेक्नोलॉजी की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से ऐसे पदार्थों की खोज कर रहे हैं जो इस प्रकाश को पकड़ सकें और उसे निर्देशित कर सकें, जिससे इसे अल्ट्रा-फास्ट कंप्यूटिंग या अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील सेंसर के उपकरण में बदला जा सके। ऐसा ही एक पदार्थ ग्राफीन है, जो कार्बन परमाणुओं की एक ऐसी परत है जो इतनी पतली है कि यह अनिवार्य रूप से द्वि-आयामी (two-dimensional) है। ग्राफीन में ऊर्जा की लहरों को सहारा देने की एक अनूठी क्षमता है जिन्हें 'सरफेस प्लास्मोन' (surface plasmons) कहा जाता है, जो सतह पर चलते हुए प्रकाश और विद्युत आवेश का एक हाइब्रिड रूप हैं। इन लहरों को ग्राफीन की शीट में भरे गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है। हालाँकि, इन इलेक्ट्रॉनों को सही घनत्व पर बनाए रखना कठिन है। सामान्य विधि में ग्राफीन को एक बैटरी जैसे सेटअप से जोड़ना शामिल है ताकि इलेक्ट्रॉनों को अंदर धकेला जा सके या बाहर निकाला जा सके, लेकिन इसके लिए भारी उपकरणों की आवश्यकता होती है और अक्सर इससे अस्थिर परिणाम मिलते हैं जो समय के साथ फीके पड़ जाते हैं। शोधकर्ताओं को इन इलेक्ट्रॉनों को स्थायी रूप से एक जगह लॉक करने के लिए एक तरीके की आवश्यकता थी, बिना किसी निरंतर विद्युत कनेक्शन की आवश्यकता के, ताकि इन सूक्ष्म प्रकाश-मार्गदर्शक उपकरणों को वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए व्यावहारिक बनाया जा सके।
आयोवा स्टेट यूनिवर्सिटी के भौतिकविदों की एक टीम ने ग्राफीन पर सीधे धातु ऑक्साइड की एक सूक्ष्म परत रखकर एक समाधान खोज निकाला है। उन्होंने पाया कि जब उन्होंने ग्राफीन पर मोलिब्डेनम ऑक्साइड की एक अत्यंत पतली फिल्म, लगभग आधा नैनोमीटर मोटी, जमा की, तो सामग्री का व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। ऑक्साइड की परत ने एक स्पंज की तरह काम किया, जिसने इलेक्ट्रॉनों को ग्राफीन से दूर खींच लिया और पीछे एक अतिरिक्त धनात्मक आवेश छोड़ दिया। यह प्रक्रिया, जिसे 'चार्ज ट्रांसफर' (charge transfer) कहा जाता है, स्वाभाविक रूप से हुई क्योंकि दोनों सामग्रियों में इलेक्ट्रॉनों के प्रति अलग-अलग आकर्षण होता है, ठीक वैसे ही जैसे पानी ऊंचे स्थान से निचले स्थान की ओर तब तक बहता है जब तक कि स्तर समान न हो जाए। परिणाम स्वरूप, एक ऐसी ग्राफीन शीट प्राप्त हुई जो अत्यधिक आवेशित थी और बिना किसी बाहरी शक्ति स्रोत के मजबूत प्रकाश तरंगों को सहारा देने के लिए तैयार थी। इसे सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक विशेष सूक्ष्मदर्शी (microscope) का उपयोग किया जो इन अदृश्य प्रकाश लहरों को देख सकता था। उन्होंने नमूने पर इन्फ्रारेड प्रकाश डाला और देखा कि प्रकाश ग्राफीन के किनारे से कैसे बिखरता है। नग्न ग्राफीन में, लहरें धुंधली और अल्पकालिक थीं, लेकिन ऑक्साइड जोड़ने के बाद, लहरें बहुत लंबी और स्पष्ट हो गईं, जो फीकी पड़ने से पहले काफी दूर तक यात्रा करती थीं।
शोधकर्ताओं ने केवल एक प्रकार के ऑक्साइड पर ही नहीं रुकते। यह पुष्टि करने के लिए कि यह प्रभाव वास्तव में परतों के बीच इलेक्ट्रॉनों की गति के कारण हुआ था, उन्होंने मोलिब्डेनम ऑक्साइड के ऊपर जिंक ऑक्साइड की दूसरी परत जोड़ी। इस दूसरी सामग्री का प्रभाव विपरीत था; इसने इलेक्ट्रॉनों को वापस ग्राफीन की ओर धकेल दिया, जिससे पहली परत द्वारा किए गए परिवर्तनों का आंशिक रूप से उलटा प्रभाव पड़ा। प्रत्येक चरण के बाद प्रकाश की लहरों को सावधानीपूर्वक मापकर, वे देख सके कि ग्राफीन के गुण वापस आगे-पीछे बदल रहे हैं। उन्होंने पाया कि ऑक्साइड की परत की मोटाई बहुत मायने रखती है। जब मोलिब्डेनम ऑक्साइड अत्यंत पतला था, तो चार्ज ट्रांसफर तेजी से और तीव्रता से हुआ। जैसे-जैसे उन्होंने परत को मोटा किया, प्रभाव बढ़ता गया लेकिन बहुत धीमी गति से, जिससे पता चलता है कि ऑक्साइड का प्रभाव सरल सतह संपर्क से परे एक तंत्र के माध्यम से ग्राफीन में गहराई तक पहुँचता है। इसने उन्हें केवल यह नियंत्रित करके कि वे कितना ऑक्साइड जमा करते हैं, ग्राफीन में इलेक्ट्रॉनों के घनत्व को सूक्ष्म रूप से ट्यून करने की अनुमति दी।
केवल प्रकाश को ट्यून करने के अलावा, टीम ने पाया कि ऑक्साइड की परत ने एक आश्चर्यजनक बोनस भी प्रदान किया: सुरक्षा। ग्राफीन खुली हवा में बेहद नाजुक होता है, जहाँ नमी और ऑक्सीजन आसानी से समय के साथ इसके विद्युत गुणों को बदल सकते हैं। शोधकर्ताओं ने तीन नैनोमीटर मोटी मोलिब्डेनम ऑक्साइड की परत से ढके एक नमूने को सामान्य कमरे की स्थितियों में सात महीनों के लिए छोड़ दिया। जब उन्होंने इसे फिर से जांचा, तो प्रकाश की लहरें लगभग वैसी ही थीं जैसी वे पहले दिन थीं। ऑक्साइड की परत ने एक ढाल के रूप में कार्य किया, ग्राफीन को पर्यावरण से सील कर दिया और इसके विशेष गुणों को सुरक्षित रखा। यह स्थिरता, बिना बैटरी के प्रकाश तरंगों को नियंत्रित करने की क्षमता के साथ मिलकर, ऑप्टिकल उपकरणों के निर्माण के लिए एक नया मार्ग सुझाती है। इन परतों को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली विधि सरल और स्केलेबल है, जिसका अर्थ है कि इसका उपयोग इन सामग्रियों के बड़े क्षेत्रों के निर्माण के लिए किया जा सकता है। विभिन्न ऑक्साइडों को स्टैक करके या उन्हें विशिष्ट आकृतियों में पैटर्न बनाकर, इंजीनियर संभावित रूप से ऐसी सतहें बना सकते हैं जो प्रोग्राम करने योग्य तरीकों से प्रकाश का मार्गदर्शन करती हैं, जिससे स्थिर और कुशल नैनोफोटोनिक उपकरणों की एक नई पीढ़ी का द्वार खुल जाता है।
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