Multiproperty Atomistic Characterization of a Synthesized Pyrazinic Nitrogen-Doped Porous Armchair Graphene Nanoribbon

कार्बन आकार बदलने में माहिर है। वही परमाणु जो पेंसिल की लीड में नरम ग्रेफाइट बनाते हैं, उन्हें विज्ञान द्वारा ज्ञात सबसे कठोर सामग्री में या एक एकल-परमाणु-मोटी शीट में व्यवस्थित किया जा सकता है जो तांबे से बेहतर बिजली का संचालन करती है। यह शीट, जिसे ग्राफीन कहा जाता है, एक सपाट हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते जैसी) जाली है जहाँ प्रत्येक कार्बन परमाणु तीन पड़ोसियों से बंधा होता है। हालाँकि यह सामग्री अविश्वसनीय रूप से मजबूत है और बेजोड़ दक्षता के साथ ऊष्मा का संचालन करती है, लेकिन इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए इसमें एक घातक दोष है: इसे बंद नहीं किया जा सकता है। कंप्यूटर चिप्स की दुनिया में, एक सामग्री को बिजली संचालित करने और उसे रोकने के बीच स्विच करने में सक्षम होना चाहिए, जिसे "बैंड गैप" (band gap) नामक गुण कहा जाता है। शुद्ध ग्राफीन में यह अंतराल नहीं होता है, जिससे यह एक स्विच के रूप में बेकार हो जाता है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक ग्राफीन को संकीर्ण पट्टियों में काटते हैं जिन्हें नैनोरिबन (nanoribbons) कहा जाता है। इन संकीर्ण चैनलों के भीतर इलेक्ट्रॉनों को सीमित करके, एक अंतराल खुल जाता है, जिससे यह सामग्री एक अर्धचालक (semiconductor) बन जाती है। हालाँकि, एक काम करने वाले उपकरण के लिए आवश्यक सटीक चौड़ाई और किनारे की संरचना के साथ इन पट्टियों को बनाना एक बड़ी चुनौती है, क्योंकि एक भी गलत परमाणु इसके इलेक्ट्रॉनिक गुणों को खराब कर सकता है।

हालिया प्रगति ने वैज्ञानिकों को इन नैनोरिबन को नीचे से ऊपर की ओर (bottom up), धातु की सतहों पर परमाणु दर परमाणु जोड़कर बनाने की अनुमति दी है। यह विधि उस स्तर की सटीकता प्रदान करती है जो ऊपर से नीचे की ओर (top-down) निर्माण नहीं दे सकती। शोधकर्ताओं ने अब इसे एक कदम आगे बढ़ाया है और एक विशिष्ट प्रकार का नैनोरिबन डिजाइन किया है जो न केवल संकीर्ण है बल्कि छोटे छिद्रों से युक्त है और नाइट्रोजन परमाणुओं से सजाया गया है। इस नई संरचना, जो एक छिद्रयुक्त आर्मचेयर ग्राफीन नैनोरिबन है जिसे नाइट्रोजन से डोप (doped) किया गया है, को प्रयोगशाला में संश्लेषित किया गया था, लेकिन भविष्य के उपकरणों में इसके उपयोग की पूर्ण क्षमता एक रहस्य बनी हुई थी। शोधकर्ताओं की एक टीम यह समझने के लिए निकल पड़ी कि यह नई सामग्री वास्तव में कैसे व्यवहार करती है, जिसमें इसकी यांत्रिक शक्ति, ऊष्मा प्रवाह और इलेक्ट्रॉनिक प्रतिक्रिया का अनुकरण (simulation) किया गया ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि क्या यह अगली पीढ़ी की तकनीक के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार है।

शोधकर्ताओं ने अपने नए, नाइट्रोजन-डोप किए गए रिबन की तुलना दो सरल संस्करणों से करके शुरुआत की: एक ठोस, शुद्ध रिबन और एक बिना नाइट्रोजन वाला छिद्रयुक्त रिबन। यह तुलना छिद्रों के प्रभावों को नाइट्रोजन परमाणुओं के प्रभावों से अलग करने के लिए महत्वपूर्ण थी। उन्होंने पाया कि छिद्र ही प्राथमिक संरचनात्मक परिवर्तन हैं। छिद्रों को बनाने के लिए परमाणुओं की एक पंक्ति को हटाने से, सामग्री अपनी ठोस रिबन की तुलना में लगभग 41 प्रतिशत कठोरता खो देती है। छिद्र ऊष्मा के लिए बाधाओं के रूप में भी कार्य करते हैं, जो थर्मल ऊर्जा ले जाने वाले कंपनों को बिखेर देते हैं और सामग्री की ऊष्मा संचालित करने की क्षमता को लगभग चार गुना कम कर देते हैं। हालाँकि, नाइट्रोजन परमाणु एक अलग भूमिका निभाते हैं। वे रिबन की यांत्रिक शक्ति या कठोरता को महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदलते हैं। इसके बजाय, उनका प्रभाव लगभग पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनिक है। नाइट्रोजन परमाणु इलेक्ट्रॉनों के लिए विशिष्ट एंकर (anchors) के रूप में कार्य करते हैं, जिससे यह बदल जाता है कि सामग्री प्रकाश और बिजली के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है, बिना भौतिक ढांचे को बाधित किए।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक यह है कि सामग्री ऊष्मा को कैसे संभालती है। एक काम करने वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरण में, ऊष्मा हटाना अक्सर सीमित करने वाला कारक होता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि इस नए रिबन में ऊष्मा ले जाने वाले कंपन के टकराने से पहले यात्रा करने की प्रभावी दूरी लगभग 9.9 नैनोमीटर है। यह संख्या उल्लेखनीय है क्योंकि यह उन रिबनों की लंबाई से मेल खाती है जिन्हें वैज्ञानिक वर्तमान में प्रयोगशाला में संश्लेषित कर सकते हैं। इसका मतलब है कि अब तक उत्पादित रिबन ऊष्मा के दो अलग-अलग तरीकों के बीच के टिपिंग पॉइंट (tipping point) पर हैं: एक सुचारू, अबाधित प्रवाह और एक अराजक, बिखरा हुआ प्रवाह। क्योंकि रिबन बहुत छोटे हैं, वे ऊष्मा का संचालन केवल उस दर के आधे पर करते हैं जिस पर सामग्री संचालित करती यदि वह अनंत रूप से लंबी होती। यह सुझाव देता है कि हालांकि सामग्री आशाजनक है, वर्तमान विनिर्माण सीमाएं पहले से ही इसके थर्मल प्रदर्शन को निर्धारित कर रही हैं।

इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुण वे क्षेत्र हैं जहाँ नाइट्रोजन डोपिंग वास्तव में चमकती है। रिबन में छेद ऊर्जा स्तरों में एक अंतराल खोलते हैं, जिससे अदृश्य इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम से दृश्य लाल प्रकाश रेंज तक प्रकाश को अवशोषित करने की सामग्री की क्षमता बदल जाती है। नाइट्रोजन का जुड़ना इस अवशोषण को लाल रंग की ओर और आगे बढ़ाता है, 646 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य तक। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि नाइट्रोजन परमाणु इलेक्ट्रॉनों और उनके द्वारा छोड़े गए "छेद" के बीच एक मजबूत बंधन बनाते हैं, जिससे एक कसकर बंधा हुआ जोड़ा बनता है जिसे एक्सिटोन (exciton) कहा जाता है। यह बंधन ऊर्जा पर्याप्त है, जिसका अर्थ है कि कमरे के तापमान पर, सामग्री की ऑप्टिकल प्रतिक्रिया मुक्त-चलने वाले आवेशों के बजाय इन बंधे हुए जोड़ों द्वारा नियंत्रित होती है। यह व्यवहार मानक अर्धचालकों से अलग है और यह सुझाव देता है कि सामग्री प्रकाश को अवशोषित करने और परिवर्तित करने में अत्यधिक कुशल हो सकती है, जो सेंसर और सौर सेल के लिए एक प्रमुख आवश्यकता है।

अध्ययन ने यह भी जांचा कि ये रिबन उन धातु सतहों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं जिन पर उन्हें उगाया जाता है, जैसे सोना, चांदी या तांबा। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि रिबन इन धातुओं पर बहुत ही सौम्य तरीके से बैठता है, जो मजबूत रासायनिक बंधों के बजाय कमजोर बलों द्वारा पकड़ा जाता है। सोने, चांदी या तांबे से रिबन को चिपकाने के लिए आवश्यक ऊर्जा लगभग समान है, जो एक प्रतिशत से भी कम का अंतर रखती है। यह समझाता है कि क्यों एक ही रिबन संरचना को प्रयोगशाला में विभिन्न धातु सतहों पर सफलतापूर्वक उगाया जा सकता है; सामग्री किसी विशिष्ट साथी की मांग नहीं करती है। हालाँकि, नाइट्रोजन परमाणु स्वयं धातुओं के बीच अंतर करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हैं, जो सोने या चांदी की तुलना में तांबे पर एक अलग इलेक्ट्रॉनिक सिग्नेचर दिखाते हैं, जो प्रयोगों में सामग्री की पहचान करने के लिए उपयोगी हो सकता है।

अंत में, शोधकर्ताओं ने एक काल्पनिक परिदृश्य का पता लगाया: क्या होगा यदि नाइट्रोजन परमाणुओं को रिबन के भीतर एक अलग स्थिति में रखा जाए? वास्तविक संश्लेषित सामग्री में, नाइट्रोजन परमाणु छिद्रों के किनारे पर स्थित होते हैं, जो एक रासायनिक रूप से स्थिर स्थिति है और एक अर्धचालक बनाती है। टीम ने एक ऐसे संस्करण का अनुकरण किया जहाँ नाइट्रोजन परमाणुओं को कार्बन रिंग के अंदर रखा गया था, जिसे ग्राफिटिक नाइट्रोजन (graphitic nitrogen) के रूप में जाना जाता है। इस काल्पनिक व्यवस्था में, सामग्री स्विच के रूप में कार्य करने की अपनी क्षमता खो देगी और एक धातु बन जाएगी, जो लगातार बिजली का संचालन करेगी। और भी दिलचस्प बात यह है कि यदि दो नाइट्रोजन परमाणुओं को ग्राफिटिक व्यवस्था में एक छिद्र के किनारे पर एक-दूसरे के करीब लाया जाए, तो सामग्री एक फेरोमैग्नेटिक सेमीकंडक्टर (ferromagnetic semiconductor) बन जाएगी, जो एक चुंबकीय क्षण (magnetic moment) ले जाएगी जिसका उपयोग डेटा स्टोरेज के लिए किया जा सकता है। हालाँकि, सिमुलेशन ने दिखाया कि यह चुंबकीय अवस्था प्रयोगशाला में पाए जाने वाले स्थिर अवस्था की तुलना में बहुत उच्च ऊर्जा पर है, जिसका अर्थ है कि यह वर्तमान विधियों के साथ स्वाभाविक रूप से नहीं बनेगी। यह भविष्य के डिजाइन के लिए एक सैद्धांतिक लक्ष्य बना हुआ है न कि जो बनाया गया है उसका विवरण।

यह कार्य एक नव संश्लेषित कार्बन सामग्री की एक पूर्ण तस्वीर प्रदान करता है, जो इसके छिद्रों के संरचनात्मक प्रभाव को इसके नाइट्रोजन परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनिक प्रभाव से अलग करता है। छिद्र सामग्री को कमजोर करते हैं और ऊष्मा को रोकते हैं, जबकि नाइट्रोजन परमाणु इसके रंग और इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार को ट्यून करते हैं। रिबन स्थिर है, ऊष्मा का संचालन इस तरह से करता है जो वर्तमान विनिर्माण सीमाओं से मेल खाता है, और विभिन्न धातु सतहों के साथ सौम्य रूप से परस्पर क्रिया करता है। हालाँकि यह सामग्री अभी तक एक पूर्ण स्विच बनाने की चुनौती को हल नहीं करती है, लेकिन यह एक स्पष्ट, ट्यूनेबल प्लेटफॉर्म प्रदान करती है जहाँ वैज्ञानिक विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुणों को डिजाइन करने के लिए छिद्रों और नाइट्रोजन को समायोजित कर सकते हैं। अध्ययन पुष्टि करता है कि प्रयोगशाला में परमाणुओं की विशिष्ट व्यवस्था सबसे स्थिर और उपयोगी विन्यास है, जबकि उन अधिक विलक्षण चुंबकीय अवस्थाओं की ओर संकेत करता है जो भविष्य के रासायनिक इंजीनियरिंग के माध्यम से प्राप्त की जा सकती हैं।