Ionization Energies, Electron Affinities, Bandgaps, Exciton Binding Energies, and Polarization Energies of Orientation-Controlled Picene, [6]-Phenacene, and [7]-Phenacene Thin Films

ऑर्गेनिक इलेक्ट्रॉनिक्स कार्बन-आधारित अणुओं से बने पदार्थों के एक वर्ग पर निर्भर करते हैं जो बिजली का संचालन कर सकते हैं, जो सौर सेल और कंप्यूटर स्क्रीन जैसे लचीले, हल्के और सस्ते उपकरणों के लिए एक मार्ग प्रदान करते हैं। इन सामग्रियों के काम करने के लिए, वैज्ञानिकों को यह समझना चाहिए कि वे कितनी आसानी से एक इलेक्ट्रॉन को त्यागते हैं या स्वीकार करते हैं, क्योंकि यह गुण निर्धारित करता है कि वे आवेश (चार्ज) का परिवहन कितनी अच्छी तरह करते हैं। ठोस अवस्था में, जहाँ ये अणु एक साथ मिलकर एक फिल्म बनाते हैं, उनके ऊर्जा स्तर स्थिर नहीं होते; वे इस बात पर निर्भर करते हुए बदलते हैं कि अणु उस सतह के सापेक्ष खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं जिस पर वे टिके होते हैं। यह व्यवस्था महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उन ऊर्जा बाधाओं को निर्धारित करती है जिन्हें पार करने के लिए इलेक्ट्रॉनों को सामग्री में प्रवेश करने या बाहर निकलने की आवश्यकता होती है। यदि अणु पेड़ों के जंगल की तरह सीधे खड़े हैं, तो ऊर्जा का परिदृश्य (लैंडस्केप) अलग होगा बजाय इसके कि वे टाइल्स के कालीन की तरह सपाट लेटे हों। इन ऊर्जा परिवर्तनों को समझना बेहतर उपकरण डिजाइन करने के लिए आवश्यक है, फिर भी फेनासीन (phenacenes) नामक कार्बन अणुओं के एक विशिष्ट परिवार के लिए, इन ऊर्जा परिवर्तनों को नियंत्रित करने वाले सटीक नियम स्पष्ट नहीं थे।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने तीन अलग-अलग फेनासीन अणुओं: पिसिन (picene), [6]-फेनासीन, और [7]-फेनासीन के लिए इन ऊर्जा परिदृश्यों का मानचित्रण करने का लक्ष्य रखा। ये अणु बेंजीन रिंगों से बने होते हैं जो एक ज़िगज़ैग पैटर्न में आपस में जुड़े होते हैं, एक ऐसी संरचना जो उन्हें उच्च रासायनिक स्थिरता प्रदान करती है और उन्हें इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक बनाती है। वैज्ञानिकों ने दो अलग-अलग प्रकार की सतहों पर प्रत्येक अणु की पतली फिल्में उगाईं: एक ऐसी सतह जिसने अणुओं को सीधा खड़ा होने के लिए प्रोत्साहित किया और दूसरी ऐसी जिसने उन्हें सपाट लेटने के लिए प्रोत्साहित किया। प्रकाश-आधारित तकनीकों के संयोजन का उपयोग करते हुए, जो यह मापती हैं कि एक इलेक्ट्रॉन को हटाने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है और एक इलेक्ट्रॉन को जोड़ने पर कितनी ऊर्जा मुक्त होती है, उन्होंने फिल्मों के सटीक ऊर्जा स्तरों को मापा। उन्होंने गैस अवस्था में अलग-अलग अणुओं को भी मापा ताकि यह देखा जा सके कि ठोस में पैक होने के बाद उनके ऊर्जा स्तर कैसे बदलते हैं।

परिणामों ने अभिविन्यास (ओरिएंटेशन) पर एक आश्चर्यजनक निर्भरता का खुलासा किया। जब अणु सतह पर सीधे खड़े थे, तो इलेक्ट्रॉन को हटाने के लिए आवश्यक ऊर्जा तब की तुलना में काफी कम थी जब वे सपाट लेटे हुए थे। विशेष रूप से, जब अणु लेटे हुए थे, उसकी तुलना में सीधे खड़े होने पर इलेक्ट्रॉन को हटाने की ऊर्जा लगभग एक इलेक्ट्रॉन-वोल्ट कम हो गई। इसी तरह, एक इलेक्ट्रॉन को अणु में जोड़ने पर मुक्त होने वाली ऊर्जा भी उसी दिशा में समान मात्रा में स्थानांतरित हुई। इसका अर्थ है कि केवल अणुओं के कोण को बदलकर, आप फिल्म के विद्युत गुणों को एक बड़े अंतर तक ट्यून कर सकते हैं, जो विभिन्न रासायनिक तत्वों के स्तरों के बीच ऊर्जा के अंतर के लगभग बराबर है। हालाँकि, व्यक्तिगत ऊर्जा स्तरों में इन बड़े बदलावों के बावजूद, उच्चतम और निम्नतम ऊर्जा अवस्थाओं के बीच का अंतर लगभग बिल्कुल समान रहा, जो कि चाहे अणु खड़े हों या लेटे हों, लगभग चार इलेक्ट्रॉन-वोल्ट के आसपास बना रहा। अंतराल में यह स्थिरता यह सुझाव देती है कि सामग्री की प्रकाश को अवशोषित करने या आवेश को अलग करने की मौलिक क्षमता अभिविन्यास से प्रभावित नहीं होती है, भले ही सामग्री में बिजली इंजेक्ट करने की सुगमता नाटकीय रूप से बदल जाती है।

यह समझने के लिए कि ऊर्जा स्तरों में इतना अधिक बदलाव क्यों आया, शोधकर्ताओं ने इस बात का अध्ययन किया कि आसपास के अणु एक आवेश को कैसे स्थिर करते हैं। जब एक इलेक्ट्रॉन जोड़ा या हटाया जाता है, तो पड़ोसी तटस्थ अणु अपने इलेक्ट्रॉन बादलों को पुनर्व्यवस्थित करते हैं ताकि आवेश को स्थिर किया जा सके, एक ऐसी प्रक्रिया जो ऊर्जा को कम करती है। टीम ने पाया कि यह स्थिरीकरण प्रभाव, जिसे ध्रुवीकरण ऊर्जा (polarization energy) कहा जाता है, धनात्मक या ऋणात्मक आवेश के आधार पर और अणुओं के अभिविन्यास के आधार पर अलग-अलग व्यवहार करता है। धनात्मक आवेशों के लिए, खड़े हुए अणुओं ने लेटे हुए अणुओं की तुलना में बहुत अधिक स्थिरीकरण प्रदान किया। ऋणात्मक आवेशों के लिए, स्थिति इसके विपरीत थी, जिसमें लेटे हुए अणुओं ने अधिक मजबूत स्थिरीकरण प्रदान किया। इस स्थिरीकरण को दो भागों में तोड़कर, शोधकर्ताओं ने खोजा कि एक भाग, जो सामग्री की सामान्य डाइइलेक्ट्रिक प्रतिक्रिया से संबंधित था, दोनों अभिविन्यासों के लिए लगभग समान था। हालाँकि, दूसरा भाग अणुओं के स्थायी विद्युत आकार, विशेष रूप से उनके क्वाड्रुपोल मोमेंट्स (quadrupole moments) द्वारा संचालित था, जो कि आवेश के वितरण हैं जो पूरी तरह से गोलाकार नहीं होते हैं। यह इलेक्ट्रोस्टैटिक संपर्क अभिविन्यास के प्रति अत्यधिक संवेदनशील था, जो बड़े ऊर्जा परिवर्तनों के पीछे का प्राथमिक चालक बना।

अध्ययन ने क्षेत्र में पिछले अनिश्चितताओं को भी संबोधित किया। समान सामग्रियों पर पिछले मापों ने सुझाव दिया था कि उच्चतम और निम्नतम अवस्थाओं के बीच का ऊर्जा अंतराल बहुत छोटा, प्रकाश अवशोषण में देखे गए ऑप्टिकल गैप के करीब था। शोधकर्ताओं ने तर्क दिया कि वे पिछले मान संभवतः गलत थे क्योंकि उपयोग की जाने वाली तकनीकें नाजुक कार्बन नमूनों को नुकसान पहुँचा सकती थीं या सटीक ऊर्जा स्तरों को पहचानने में उनकी सटीकता की कमी थी। अधिक कोमल और सटीक विधियों का उपयोग करके, वर्तमान कार्य ने स्थापित किया कि वास्तविक ऊर्जा अंतराल काफी बड़ा, लगभग चार इलेक्ट्रॉन- वोल्ट है, और इस अंतराल तथा ऑप्टिकल गैप के बीच का अंतर लगभग एक इलेक्ट्रॉन- वोल्ट के एक्सिटोन बाइंडिंग ऊर्जा (exciton binding energy) के अनुरूप है। यह निष्कर्ष कार्बनिक ठोसों के लिए सैद्धांतिक अपेक्षाओं के अनुरूप है और इन सामग्रियों की मौलिक इलेक्ट्रॉनिक संरचना पर रिकॉर्ड को सही करता है।

अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि आणविक अभिविन्यास, अणुओं के रासायनिक संयोजन को बदले बिना, ऑर्गेनिक फिल्मों के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को ट्यून करने का एक शक्तिशाली उपकरण है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि अणुओं के पैक होने के तरीके को नियंत्रित करके ऊर्जा स्तरों को लगभग एक इलेक्ट्रॉन-वोल्ट तक स्थानांतरित किया जा सकता है, जो एक ऐसा कारक है जिसे अक्सर डिवाइस डिजाइन में अनदेखा कर दिया जाता है। उन्होंने अणुओं के स्थायी विद्युत आकार को इन बदलावों के पीछे के प्रमुख भौतिक तंत्र के रूप में पहचाना, जिससे एक स्पष्ट व्याख्या मिली कि खड़े और लेटे हुए फिल्म इतने अलग व्यवहार क्यों करते हैं। ये निष्कर्ष इंजीनियरों और वैज्ञानिकों को एक ठोस मार्ग प्रदान करते हैं जो ऑर्गेनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को अनुकूलित करना चाहते हैं, यह सुझाव देते हुए कि अणुओं की भौतिक व्यवस्था को नियंत्रित करना सही रासायनिक सामग्री चुनने जितना ही महत्वपूर्ण है।