Self-assembly and Electronic Properties of Graphyne and Graphdiyne Molecular Wires on Metallic Surfaces
प्रथम-सिद्धांत घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (first-principles density functional theory) गणनाओं का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ग्राफिन (graphyne) और ग्राफडायन (graphdiyne) आणविक तार वैन डेर वाल्स (van der Waals) अंतःक्रियाओं के माध्यम से Au(111), Ag(111), और Al(111) सतहों पर ऊर्जावान रूप से पसंदीदा गैर-संरेखित सरणियों में स्व-संयोजित होते हैं, जो अपने अर्धचालक चरित्र को बनाए रखते हुए आणविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए आशाजनक एक-आयामी धातु-अर्धचालक हेटरोस्ट्रक्चर (heterostructures) बनाते हैं।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ तकनीक के सबसे छोटे निर्माण खंड बड़े कारखानों में निर्मित नहीं होते, बल्कि एक खिड़की के शीशे पर जमती पाले की तरह, एक सतह पर परमाणु दर परमाणु उगाए जाते हैं। यह आणविक स्व-संयोजन (molecular self-assembly) का वादा है, एक ऐसी प्रक्रिया जहाँ सूक्ष्म कार्बनिक अणु, जब एक ठोस सतह पर रखे जाते हैं, तो मानवीय हस्तक्षेप के बिना स्वाभाविक रूप से सटीक, व्यवस्थित पैटर्न में व्यवस्थित हो जाते हैं। वैज्ञानिक इसमें गहरी रुचि रखते हैं क्योंकि यह ऐसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने का एक तरीका प्रदान करता है जो आज हमारे द्वारा बनाए जाने वाले किसी भी उपकरण की तुलना में बहुत छोटे और अधिक कुशल हैं। इस दृष्टिकोण की कुंजी ऐसे अणुओं को खोजने में निहित है जो एक धातु की सतह से बस इतना चिपक सकें कि वे वहीं टिके रहें, लेकिन इतने मजबूती से नहीं कि वे अपने अद्वितीय विद्युत गुणों को खो दें। यदि बंधन बहुत मजबूत है, तो अणु की आंतरिक संरचना नष्ट हो जाती है; यदि यह बहुत कमजोर है, तो अणु बस फिसल कर दूर चला जाता है। आदर्श परिदृश्य अणु और धातु के बीच एक सौम्य हाथ मिलाने (gentle handshake) जैसा है, जो अणु को अपनी पहचान बनाए रखने देते हुए बिजली के प्रवाह के लिए एक स्थिर सेतु बनाने की अनुमति देता है।
इस संदर्भ में, शोधकर्ताओं ने ग्राफिन (graphyne) और ग्राफिडाइन (graphdiyne) नामक कार्बन सामग्रियों के दो विशेष प्रकारों की ओर ध्यान आकर्षित किया है। ये पेंसिल में पाए जाने वाले परिचित ग्रेफाइट या हाल ही में बहुत चर्चा बटोरने वाली ग्रेफीन की एकल-परत वाली चादरें नहीं हैं। इसके बजाय, ये कार्बन की सपाट, हनीकॉम्ब जैसी चादरें हैं जिनमें विभिन्न प्रकार के रासायनिक बंधों का मिश्रण शामिल है, जिनमें कुछ ट्रिपल बॉन्ड भी हैं जो इसकी संरचना को लचीला और विद्युत रूप से ट्यून करने योग्य बनाते हैं। जब इन सामग्रियों को लंबी, पतली श्रृंखलाओं में तोड़ा जाता है, तो वैज्ञानिक इन्हें 'आणविक तार' (molecular wires) कहते हैं। बड़ा सवाल यह था: जब इन नाजुक तारों को सोने, चांदी या एल्युमीनम जैसी सामान्य धातु की सतहों पर बिछाया जाता है, तो क्या होता है? क्या वे सीधी, समानांतर पंक्तियों में एक साथ जुड़ते हैं, या वे बिखर जाते हैं? और इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि क्या वे नियंत्रित तरीके से बिजली संचालित करने की अपनी क्षमता बनाए रखते हैं, या धातु की सतह उस क्षमता को नष्ट कर देती है?
इन सवालों के जवाब देने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके यह मॉडल बनाया कि ये कार्बन तार सोने, चांदी और एल्युमीनम की सतहों पर उतरने पर वास्तव में कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने इस विशिष्ट अध्ययन के लिए प्रयोगशाला में कोई भौतिक प्रयोग नहीं किया; इसके बजाय, उन्होंने एक आभासी दुनिया बनाई जहाँ वे परमाणुओं की परस्पर क्रिया को पूर्ण सटीकता के साथ देख सकते थे। उनके गणनाओं ने अणुओं के व्यवस्थित होने के तरीके में एक आश्चर्यजनक प्राथमिकता का खुलासा किया। पूरी तरह से समानांतर पंक्तियों में व्यवस्थित होने के बजाय, आणविक तार स्वाभाविक रूप से एक टेढ़े-मेढ़े (staggered), गैर-संरेखित पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं, ठीक वैसे ही जैसे दीवार में ईंटें एक-दूसरे से हटकर रखी जाती हैं। यह व्यवस्था परीक्षण की गई तीनों धातु की सतहों पर सबसे स्थिर और ऊर्जावान रूप से अनुकूल पाई गई। तार धातु पर लगभग 3.6 से 3.9 एंगस्ट्रॉम की दूरी पर स्थित होते हैं, एक ऐसा अंतराल जो इतना छोटा है कि इसे अरबवें मीटर में मापा जाता है, फिर भी यह इतना बड़ा है जो यह दर्शाता है कि अणु धातु के साथ रासायनिक रूप से बंधे नहीं हैं। इसके बजाय, वे एक बहुत ही कमजोर, सार्वभौमिक बल द्वारा स्थिर होते हैं जिसे वान डेर वाल्स (van der Waals) इंटरेक्शन कहा जाता है, जो वही कोमल आकर्षण है जो छिपकलियों को दीवारों पर चलने की अनुमति देता है।
शोधकर्ताओं ने फिर इस बात की बारीकी से जांच की कि धातु के पास होने पर इन तारों के भीतर इलेक्ट्रॉन क्या करते हैं। उन्होंने उन संकेतों का अनुकरण किया जो तब दिखाई देंगे यदि वे सिस्टम पर एक्स-रे डालें, जो परमाणुओं की रासायनिक अवस्था की पहचान करने के लिए उपयोग की जाने वाली एक तकनीक है। उन्होंने पाया कि कार्बन तारों की आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक संरचना धातु को छूने से पहले बिल्कुल वैसी ही थी। कार्बन परमाणुओं के विशिष्ट ऊर्जा हस्ताक्षर सुरक्षित रहे, जिससे पता चला कि धातु की सतह ने अणु की मूल पहचान को बाधित नहीं किया। हालांकि, इलेक्ट्रॉनों के समग्र ऊर्जा स्तर नीचे की ओर स्थानांतरित हो गए, एक परिवर्तन जो धातु की विद्युत आवेशों को ढालने या स्क्रीन करने की क्षमता के कारण हुआ। यह बदलाव सभी तीन धातुओं में सुसंगत था, उनकी व्यक्तिगत विशेषताओं के बावजूद, जो सुझाव देता है कि धातु एक रासायनिक प्रतिक्रिया में भागीदार के बजाय एक समान ढाल (shield) के रूप में कार्य करती है। महत्वपूर्ण रूप से, सिमुलेशन ने दिखाया कि धातु से इलेक्ट्रॉन तारों में नए, अवांछित चालक पथ बनाने के लिए नहीं आए। तारों ने धातु के नीचे अपनी विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक विशेषता को बनाए रखा।
यह अलगाव इस अध्ययन की सबसे महत्वपूर्ण खोज है। चूंकि तार अपनी स्वयं की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को बनाए रखते हैं, इसलिए वे अर्धचालक (semiconductors) के रूप में कार्य करते हैं, जो ऐसी सामग्रियां हैं जो चालक और गैर-चालक अवस्थाओं के बीच स्विच कर सकती हैं, जबकि वे एक ऐसी धातु के ऊपर स्थित होते हैं जो हमेशा चालक होती है। यह एक विशिष्ट प्रकार के इंटरफेस का निर्माण करता है जिसे वान डेर वाल्स मेटल-सेमीकंडक्टर हेटरोस्ट्रक्चर (van der Waals metal-semiconductor heterostructure) कहा जाता है। इस सेटअप में, धातु एक आधार के रूप में कार्य करती है, और कार्बन तार एक आयामी चैनल बनाते हैं जहाँ बिजली प्रवाहित हो सकती है। इस बात पर निर्भर करते हुए कि किस धातु का उपयोग किया गया है, यह इंटरफेस अलग तरह से व्यवहार करता है। सोने पर, इंटरफेस एक p-टाइप संपर्क के रूप में कार्य करता है, जो धनात्मक आवेश वाहकों के प्रवाह को बढ़ावा देता है, जबकि एल्युमीनम पर, यह एक n-टाइप संपर्क के रूप में कार्य करता है, जो ऋणात्मक आवेश वाहकों को बढ़ावा देता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इस सीमा को पार करने के लिए बिजली का ऊर्जा अवरोध (energy barrier) बहुत कम है, जो 0.14 से 0.30 इलेक्ट्रॉन-वोल्ट के बीच है, जो इतने छोटे सिस्टम के लिए एक बहुत ही कुशल कनेक्शन है।
अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि धातु की सतहों पर ये स्व-संयोजित कार्बन तार भविष्य के आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण के लिए एक आशाजनक मंच हैं। इन अणुओं की स्वाभाविक प्रवृत्ति का उपयोग करके, और उन्हें अपनी जगह पर बनाए रखने के लिए कोमल वान डेर वाल्स बल पर भरोसा करके, धातु की सतह पर स्थिर, एक-आयामी अर्धचालक चैनल बनाना संभव है। सिमुलेशन बताते हैं कि यह विधि कार्बन तारों के अद्वितीय गुणों को संरक्षित करती है, जिससे उन्हें धातु में अवशोषित होने के बजाय विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक घटकों के रूप में कार्य करने की अनुमति मिलती है। यह उन नैनोस्केल उपकरणों को डिजाइन करने का द्वार खोलता है जहाँ बिजली के प्रवाह को इन छोटे, स्व-व्यवस्थित चैनलों के माध्यम से सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, जो संभावित रूप से छोटे, अधिक कुशल इलेक्ट्रॉनिक घटकों की एक नई पीढ़ी की ओर ले जा सकता है।
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