Strong Impact of Halide Ordering on Structural Phase Transitions in Mixed Perovskites

सौर सेल और लाइट-एमिटिंग डायोड (LED), जो सस्ते, कुशल और निर्माण में आसान होते हैं, अक्सर पेरोव्स्काइट्स (perovskites) नामक सामग्रियों के एक विशिष्ट परिवार पर निर्भर करते हैं। ये क्रिस्टल परमाणुओं के एक दोहराव वाले पैटर्न से बने होते हैं जिन्हें एक प्रकार के परमाणु को दूसरे से बदलकर आसानी से बदला जा सकता है, जिससे वैज्ञानिक यह नियंत्रित कर सकते हैं कि सामग्री प्रकाश के साथ कैसे प्रतिक्रिया करती है। हालाँकि, जब शोधकर्ता इन कस्टम सामग्रियों को बनाने के लिए विभिन्न प्रकार के परमाणुओं को आपस में मिलाते हैं, तो परमाणु हमेशा पूरी तरह से मिश्रित नहीं रहते। इसके बजाय, वे अलग-अलग क्षेत्रों में विभाजित हो सकते हैं या अप्रत्याशित पैटर्न में व्यवस्थित हो सकते हैं, जो सामग्री को अस्थिर कर सकते हैं और उपकरण के प्रदर्शन को खराब कर सकते हैं। परमाणु मिश्रित होने पर वास्तव में कैसे व्यवहार करते हैं, और तापमान बदलने पर वे खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं, इसे समझना स्थिर, लंबे समय तक चलने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने के लिए आवश्यक है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके एक छिपे हुए नियम का पता लगाया है जो यह निर्धारित करता है कि ये मिश्रित क्रिस्टल कैसे व्यवहार करते हैं। परमाणुओं का एक अत्यधिक सटीक डिजिटल मॉडल बनाकर, वे भौतिक प्रयोगशाला में प्राप्त करना कठिन तरीके से यह देख सके कि सामग्रियां समय और तापमान के साथ कैसे बदलती हैं। उन्होंने लेड (lead) से बने क्रिस्टल पर ध्यान केंद्रित किया जिसे तीन अलग-अलग हैलाइड तत्वों: ब्रोमीन, क्लोरीन और आयोडीन के साथ मिलाया गया था। हालांकि यह ज्ञात था कि ये तत्व कभी-कभी आपस में मिलने से इनकार करते हैं, शोधकर्ताओं ने पाया कि भले ही वे मिलते हैं, वे यादृच्छिक (random) नहीं रहते। इसके बजाय, परमाणु विशिष्ट परतों में पंक्तिबद्ध होना पसंद करते हैं, जहाँ कुछ तत्व क्रिस्टल संरचना के ऊपरी और निचले स्थानों में क्लस्टर बनाते हैं जबकि अन्य किनारों पर कब्जा करते हैं।

शोधकर्ताओं ने क्वांटम भौतिकी गणनाओं के डेटा का उपयोग करके एक शक्तिशाली कंप्यूटर प्रोग्राम को प्रशिक्षित किया ताकि वह एक आभासी प्रयोगशाला के रूप में कार्य कर सके। यह प्रोग्राम, जिसे 'मशीन-लर्नड इंटरएटॉमिक पोटेंशियल' कहा जाता है, उन्हें लाखों परमाणुओं को समय के साथ चलते और बदलते हुए सिम्युलेट करने की अनुमति देता है। उन्होंने यह देखने के लिए तीन अलग-अलग हैलाइड संयोजनों का परीक्षण किया कि तापमान बढ़ने और घटने पर परमाणु खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि तीनों प्रणालियों में, परमाणु उनके आकार के आधार पर परतों में विभाजित होने की प्रवृत्ति रखते हैं। कुछ मिश्रणों में, बड़े परमाणु ऊपर और नीचे के स्थानों को पसंद करते हैं, जबकि अन्य में, वे बीच के स्थान को पसंद करते हैं। यह लेयरिंग तब भी होती है जब परमाणु पूरे क्रिस्टल में वैश्विक रूप से मिश्रित होते हैं, जो एक सूक्ष्म लेकिन शक्तिशाली आंतरिक व्यवस्था बनाता है।

इस आंतरिक व्यवस्था का एक गहरा प्रभाव पड़ता है कि सामग्री अपना आकार कब बदलती है। क्रिस्टल अक्सर गर्म होने पर एक ज्यामितीय संरचना से दूसरी संरचना में बदल जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे बर्फ पानी में पिघलती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब परमाणुओं को उनकी पसंदीदा लेयर्ड व्यवस्था में बैठने की अनुमति दी जाती है, तो इन आकार परिवर्तनों के होने का तापमान 100 डिग्री तक बढ़ सकता है। ब्रोमीन और आयोडीन के एक विशिष्ट मिश्रण में, यह प्रभाव विशेष रूप से मजबूत है और वास्तविक दुनिया के उपकरणों के लिए प्रासंगिक तापमान पर होता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि यदि परमाणुओं को यादृच्छिक, मिश्रित अवस्था में रहने के लिए मजबूर किया जाता है, तो सामग्री उस तापमान पर आकार बदलती है जिस पर वह तब बदलती है जब उन्हें खुद को व्यवस्थित करने की अनुमति दी जाती है। यह समझाता है कि क्यों वास्तविक दुनिया के प्रयोग कभी-कभी सामग्री के मिश्रण और तापमान जिस पर सामग्री बदलती है, के बीच एक जटिल, गैर-रैखिक संबंध दिखाते हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि वास्तविक उपकरणों में परमाणु संभवतः एक मध्य मार्ग में फंसे हुए हैं, जो आंशिक रूप से व्यवस्थित है लेकिन पूरी तरह से स्थिर नहीं है, जो लैब में देखे गए अद्वितीय व्यवहार को बनाता है।

अध्ययन में यह भी पता लगाया गया कि क्या होता है जब मूल धातु को बदलने के लिए मिश्रण में दूसरे प्रकार के धातु परमाणु को जोड़ा जाता है। जब शोधकर्ताओं ने संरचना में एक छोटे धातु परमाणु को पेश किया, तो इसने हैलाइड परमाणुओं की परतें बनाने की प्रवृत्ति को बाधित कर दिया। इस व्यवधान ने सामग्री को अधिक स्थिर बना दिया और उस तापमान सीमा को कम कर दिया जहाँ परमाणु अलग-अलग क्षेत्रों में विभाजित होते हैं। छोटा धातु परमाणु प्रभावी रूप से हैलाइड परमाणुओं को अधिक समान रूप से मिश्रित होने के लिए मजबूर करता है, जिससे अलग-अलग परतों के बनने को रोका जा जाता है जो संक्रमण तापमान को बदल रहे थे। यह खोज बताती है कि किन धातु परमाणुओं को शामिल किया जाता है, इसका सावधानीपूर्वक चयन करके, वैज्ञानिक नियंत्रित कर सकते हैं कि हैलाइड परमाणु खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं, जो इन सामग्रियों को स्थिर करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।

शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि हैलाइड परमाणुओं के बीच आकार का अंतर ही मुख्य चालक है कि वे कैसे मिश्रित होंगे या अलग होंगे। जब परमाणु आकार में बहुत भिन्न होते हैं, तो वे एक ही स्थान में सह-अस्तित्व में रहने के लिए संघर्ष करते हैं, जिससे तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में वे अलग हो जाते हैं। जब आकार अधिक समान होते हैं, तो वे आसानी से मिश्रित हो जाते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि अलगाव का अंतराल क्लोरीन और आयोडीन के संयोजन के लिए सबसे चौड़ा है, जिनमें आकार का अंतर सबसे अधिक है, और ब्रोमीन और क्लोरीन के लिए सबसे संकीर्ण है। छोटे धातु परमाणु को जोड़कर, शोधकर्ता तीन में से दो मिश्रणों के लिए इस अलगाव अंतराल को कम करने में सक्षम रहे, जिससे सामग्रियां अधिक मजबूत बनीं।

अंततः, यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि इन आशाजनक सामग्रियों की स्थिरता न केवल इस पर निर्भर करती है कि किन सामग्रियों का उपयोग किया जाता है, बल्कि इस पर भी कि वे परमाणुओं के स्तर पर खुद को कैसे व्यवस्थित करती हैं। परमाणुओं का परतें बनाने की प्रवृत्ति एक प्रमुख कारक है जो यह निर्धारित करती है कि सामग्री अपनी संरचना कब बदलती है और यह कितनी अच्छी तरह से जुड़ी रहती है। इस व्यवस्था को समझकर और नियंत्रित करके, वैज्ञानिक बेहतर सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं जो समय के साथ खराब होने की संभावना कम रखते हैं। यह अध्ययन एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है कि क्यों कुछ मिश्रणों का व्यवहार एक निश्चित तरीके से होता है और यह भविष्यवाणी करने का एक तरीका प्रदान करता है कि नए संयोजन कैसा प्रदर्शन करेंगे, जो अधिक विश्वसनीय और कुशल ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का मार्ग प्रशस्त करता है।