Giant bulk photovoltaic effect driven by interfacial symmetry breaking in MoS2/Ta2NiSe5 heterostructures

सौर सेल पर पड़ने वाली सूर्य की रोशनी को आमतौर पर बिजली के प्रवाह को शुरू करने के लिए एक धक्के की आवश्यकता होती है। अधिकांश सौर पैनलों में, प्रकाश इलेक्ट्रॉनों को ढीला कर देता है, लेकिन वे बिना किसी दिशा के भटकते रहते हैं जब तक कि एक अंतर्निहित विद्युत क्षेत्र, जो दो अलग-अलग प्रकार की सामग्रियों को जोड़ने से बनता है, उन्हें एक दिशा में बढ़ने के लिए मजबूर नहीं करता। इस प्रकार मानक सौर सेल काम करते हैं, और इसके कार्य करने के लिए एक विशिष्ट आंतरिक संरचना की आवश्यकता होती है। हालाँकि, प्रकृति के पास प्रकाश से ऊर्जा उत्पन्न करने का एक अलग, अधिक विचित्र तरीका है जो सामग्रियों के इस सामान्य अलगाव पर निर्भर नहीं करता है। कुछ विशेष क्रिस्टल जिनमें समरूपता का केंद्र (center of symmetry) नहीं होता, उनमें प्रकाश सीधे इलेक्ट्रॉनों को एक विशिष्ट दिशा में धकेल सकता है, जिसके लिए किसी बाहरी सहायता या आंतरिक जंक्शन की आवश्यकता नहीं होती। इस घटना को 'बल्क फोटोवोल्टिक प्रभाव' (bulk photovoltaic effect) के रूप में जाना जाता है, जो लंबे समय से एक सैद्धांतिक जिज्ञासा और अधिक कुशल ऊर्जा संचयन का एक संभावित मार्ग रहा है, लेकिन इसे हासिल करना कठिन रहा है क्योंकि यह आमतौर पर बहुत कम और दुर्लभ, जटिल सामग्रियों में ही दिखाई देता है।

वैज्ञानिकों के लिए चुनौती ऐसी सामग्रियां खोजने में थी जो उपयोग करने में आसान हों और यह समझना कि यह वास्तव में कैसे होता है। जब शोधकर्ता विभिन्न सामग्रियों की पतली परतों को एक के ऊपर एक रखकर इन प्रभावों को बनाने की कोशिश करते हैं, तो यह प्रक्रिया अक्सर एक उलझे हुए जाल जैसी बन जाती है। परतें एक-दूसरे के साथ कई तरह से परस्पर क्रिया करती हैं—परतों के बीच इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करना, उनकी आंतरिक संरचना को बदलना और अपने स्वयं के विद्युत क्षेत्र बनाना—जिससे यह बताना असंभव हो जाता है कि सिस्टम का कौन सा हिस्सा वास्तव में बिजली पैदा कर रहा है और कौन सा हिस्सा केवल बाधा डाल रहा है। इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो विशिष्ट सामग्रियों, मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड (molybdenum disulfide) और टेंटलम निकेल सेलेनाइड (tantalum nickel selenide) को एक क्रॉस के आकार के पैटर्न में रखने का एक नया तरीका विकसित किया है। ऐसा करके, उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो बिना किसी बैटरी या बाहरी वोल्टेज के, प्रकाश से बिजली का एक विशाल उछाल पैदा करता है, और वे इस बात को समझने के लिए विभिन्न भौतिक बलों को अलग करने में भी सफल रहे हैं कि यह वास्तव में क्यों काम करता है।

शोधकर्ताओं ने दो बहुत अलग सामग्रियों से शुरुआत की। एक, मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड, एक पतली, षटकोणीय (hexagonal) शीट है जो सममित और स्थिर है। दूसरा, टेंटलम निकेल सेलेनाइड, एक श्रृंखला जैसी संरचना वाला पदार्थ है जो बिजली का संचालन अच्छी तरह से करता है और जिसमें एक मजबूत दिशात्मकता होती है, जिसका अर्थ है कि इसके गुण इस बात पर निर्भर करते हैं कि आप इसे किस दिशा से देखते हैं। जब उन्होंने पहली सामग्री की एक शीट को दूसरी के ठीक ऊपर रखा, तो ऊपरी परत की उपस्थिति ने निचली परत की पूर्ण समरूपता को तोड़ दिया। कल्पना कीजिए कि एक गोल मेज के ऊपर एक वर्गाकार टाइल रखी गई है; दोनों का संयोजन एक नया आकार बनाता है जो अब पूरी तरह से गोल नहीं रह जाता। इस मामले में, स्टैकिंग ने निचली सामग्री के आंतरिक संतुलन को तोड़ दिया, जिससे उस इंटरफेस पर एक नया, असमान विद्युत परिदृश्य बन गया जहाँ वे एक-दूसरे को छूते हैं। यही टूटी हुई समरूपता (broken symmetry) बिना किसी बाहरी धक्के के प्रकाश से सीधा करंट उत्पन्न करने की क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी है।

यह देखने के लिए कि क्या यह नया अरेंजमेंट वास्तव में काम कर रहा है, टीम ने क्रॉस के आकार का एक उपकरण बनाया। उन्होंने निचली सामग्री की एक पट्टी बिछाई, फिर ऊपरी सामग्री की एक पट्टी को उसके ऊपर रखा, जिससे एक छोटा वर्ग बना जहाँ वे ओवरलैप (overlap) करते हैं। यह विशिष्ट आकार महत्वपूर्ण था क्योंकि इसने उन्हें ऊपरी पट्टी के साथ बहने वाली बिजली को निचली पट्टी के माध्यम से बहने वाली बिजली से अलग से मापने की अनुमति दी। जब उन्होंने ओवरलैप के केंद्र पर एक लाल लेजर बीम डाली, तो तुरंत एक मजबूत विद्युत धारा प्रकट हुई, जो ऊपरी पट्टी के साथ बहने लगी, भले ही कोई बैटरी जुड़ी नहीं थी। उनके द्वारा मापा गया वोल्टेज छोटा था, लेकिन करंट डेंसिटी (current density) बहुत अधिक थी, जो 247 एम्पीयर प्रति वर्ग सेंटीमीटर तक पहुँच गई। यह प्रदर्शन स्थापित वैन डेर वाल्स (van der Waals) समकक्षों के प्रतिस्पर्धी है, जो इस प्रकार के प्रभाव के लिए एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है।

टीम को यह साबित करना था कि यह बिजली इस अद्वितीय समरूपता टूटने (symmetry breaking) से आ रही है, न कि किसी अन्य सामान्य कारण से, जैसे कि सामग्रियों को छूने वाले धातु के तार या साधारण तापन प्रभाव (heating effects)। उन्होंने उपकरण को एक छोटे, केंद्रित लेजर स्पॉट के साथ स्कैन किया, जो सतह पर बिजली के उत्पादन के सटीक स्थान को मैप करने के लिए घूमता रहा। परिणामों ने दिखाया कि बिजली केवल उसी छोटे वर्ग में उत्पन्न हुई जहाँ दोनों सामग्रियां ओवरलैप कर रही थीं। वे क्षेत्र जहाँ सामग्रियां अकेली थीं, या जहाँ धातु के तार किनारों को छू रहे थे, वहां कोई ऐसा सिग्नल नहीं मिला। इससे पुष्टि हुई कि यह प्रभाव सख्ती से दोनों परतों के बीच की सीमा पर हो रहा था, जो उनके परमाणु संरचनाओं की परस्पर क्रिया द्वारा संचालित था। इसके अलावा, उन्होंने उपकरण का विभिन्न रंगों के प्रकाश के साथ परीक्षण किया और पाया कि यह केवल उसी प्रकाश के साथ काम करता है जिसे निचली सामग्री अवशोषित कर सकती है, जिससे अन्य संभावित तंत्र खारिज हो गए।

इस खोज का एक बड़ा हिस्सा यह समझना था कि दो अलग-अलग बल इस प्रभाव को इतना मजबूत बनाने के लिए मिलकर काम कर रहे थे। पहला, समरूपता के टूटने ने इलेक्ट्रॉनों के लिए एक सीधा धक्का पैदा किया। दूसरा, क्योंकि दोनों सामग्रियों के प्राकृतिक विद्युत गुण अलग-अलग हैं, इसलिए जब उन्हें स्टैक किया गया तो इलेक्ट्रॉन स्वतः ही निचली परत से ऊपरी परत की ओर कूद गए। इसने एक अंतर्निहित विद्युत क्षेत्र बनाया जो एक छिपी हुई बैटरी की तरह कार्य करता है, जो प्रकाश से उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों को अलग करने और निर्देशित करने में मदद करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे इन दोनों बलों को नियंत्रित कर सकते हैं। उपकरण के नीचे स्थित सिलिकॉन बेस पर वोल्टेज लागू करके, वे निचली परत में उपलब्ध इलेक्ट्रॉनों की संख्या बदल सकते हैं। दोनों परतों के बीच वोल्टेज लगाकर, वे अंतर्निहित विद्युत क्षेत्र को मजबूत या कमजोर कर सकते हैं। जब उन्होंने एक साथ दोनों नियंत्रणों को समायोजित किया, तो बिजली की मात्रा बिना किसी अतिरिक्त वोल्टेज के मुकाबले दस गुना से अधिक बढ़ गई।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि सामग्रियों के सावधानीपूर्वक चयन और उपकरण के आकार को डिजाइन करके, वैज्ञानिक जटिल अंतःक्रियाओं को ऊर्जा के एक स्पष्ट और शक्तिशाली स्रोत में बदल सकते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनके द्वारा देखा गया बिजली का विशाल उछाल कोई इत्तेफाक या एकल कारक का परिणाम नहीं था, बल्कि समरूपता टूटने और चार्ज ट्रांसफर के सटीक संयोजन का परिणाम था। उन्होंने इस विचार को खारिज कर दिया कि प्रभाव उपकरण के किनारों या धातु के संपर्कों (contacts) से आया था, और यह सिद्ध किया कि इस घटना का केंद्र दोनों परतों के बीच का सूक्ष्म इंटरफेस है। ये निष्कर्ष बताते हैं कि इस दृष्टिकोण का उपयोग ऊर्जा के ऐसे नए पीढ़ी के स्व-संचालित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को डिजाइन करने के लिए किया जा सकता है जो पारंपरिक सौर सेल में पाए जाने वाले भारी जंक्शनों की आवश्यकता के बिना प्रकाश से ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं। यह सिद्ध करके कि इन प्रभावों को ट्यून और प्रवर्धित (amplify) किया जा सकता है, यह अध्ययन भविष्य की विभिन्न तकनीकों में एकीकृत किए जा सकने वाले लचीले, कुशल और अत्यधिक संवेदनशील प्रकाश डिटेक्टरों और ऊर्जा हार्वेस्टर्स के निर्माण की राह खोलता है।