Comprehensive First-Principles Investigation of the Structural, Mechanical, Electronic, and Optical Properties of Homoelemental Phase T-GaN Monolayer

द दशकों से, पदार्थ विज्ञान की दुनिया चीजों को पतला और पतला बनाने के विचार से मंत्रमुग्ध रही है, जो परमाणुओं की एक एकल परत तक पहुँच जाता है। यह खोज ग्राफीन के साथ शुरू हुई, जो कार्बन की एक ऐसी चादर है जो इतनी पतली है कि वह अनिवार्य रूप से द्वि-आयामी (two-dimensional) है, जिसने अन्य सामग्रियों की खोज के लिए एक वैश्विक अभियान को जन्म दिया जिन्हें इसी तरह की परमाणु चादरों में छीलकर या उगाकर बनाया जा सके। सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में गैलियम और नाइट्रोजन से बने यौगिक शामिल हैं, जो तत्व, जब अपने सामान्य त्रि-आयामी रूप में व्यवस्थित होते हैं, तो हमारे स्क्रीन की चमकीली रोशनी और फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क के लेजर को शक्ति प्रदान करते हैं। जबकि वैज्ञानिक लंबे समय से जानते थे कि इस सामग्री की सपाट चादरों को मधुमक्खी के छत्ते जैसी संरचना, यानी हनीकॉम्ब पैटर्न का उपयोग करके कैसे बनाया जाए, हालिया जिज्ञासा अधिक असामान्य आकृतियों की ओर मुड़ गई है। परमाणुओं को विभिन्न ज्यामितीय पैटर्न में व्यवस्थित करके, शोधकर्ता नए व्यवहारों को अनलॉक करने की आशा करते हैं, जिससे ऐसी सामग्रियां बनाई जा सकें जो उन्हें किस दिशा में खींचा या दबाया जाता है, इसके आधार पर प्रकाश या तनाव के प्रति अलग तरह से प्रतिक्रिया करती हैं।

इस संदर्भ में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने गैलियम और नाइट्रोजन परमाणुओं की एक विशिष्ट, गैर-षट्कोणीय (non-hexagonal) व्यवस्था की ओर ध्यान आकर्षित किया है, जिसे वे T-GaN कहते हैं। परिचित हनीकॉम्ब चादरों के विपरीत, यह सामग्री चार-पक्षीय और आठ-पक्षीय छल्लों (rings) के दोहराव वाले पैटर्न से बनी है, जो एक वर्गाकार ग्रिड जैसा आकार बनाती है। यह विशेष संस्करण जिस तरह से अपनी विशिष्टता रखता है, वह इसके परमाणुओं के जुड़ाव का तरीका है। इस सामग्री के कई मानक संस्करणों में, प्रत्येक परमाणु केवल विपरीत प्रकार के साथी के साथ बंधता है। हालाँकि, इस नई संरचना में, परमाणु एक मिश्रित नेटवर्क बनाते हैं जहाँ गैलियम नाइट्रोजन के साथ बंधता है, लेकिन साथ ही जहाँ गैलियम का गैलियम के साथ और नाइट्रोजन का नाइट्रोजन के साथ भी बंधन होता है। शोधकर्ताओं ने इस सामग्री को आभासी रूप से बनाने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, यह जाँचने के लिए कि क्या यह एकजुट रह सकती है और विभिन्न परिस्थितियों में कैसा व्यवहार करेगी। उनका लक्ष्य यह समझना था कि क्या यह अजीब, मिश्रित-बंधन संरचना स्थिर थी और इसमें कौन से अद्वितीय गुण हो सकते हैं जो इसके अधिक पारंपरिक समकक्षों की तुलना में भिन्न हों।

पहला परीक्षण यह देखना था कि क्या यह परमाणु चादर बिना टूटे अस्तित्व में रह सकती है। शोधकर्ताओं ने परमाणुओं के कंपन का अनुकरण किया, ठीक वैसे ही जैसे यह सुनिश्चित करने के लिए गिटार के तार के तनाव की जाँच करना कि वह सही ढंग से ट्यून है, और पाया कि अस्थिरता के कोई संकेत नहीं मिले। उन्होंने आभासी सामग्री को कमरे के तापमान के सिम्युलेटेड वातावरण में एक संक्षिप्त अवधि के लिए रखा, यह देखने के लिए कि क्या परमाणु अलग हो जाते हैं या अपने कनेक्शन तोड़ देते हैं। संरचना मजबूती से टिकी रही, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह असामान्य मिश्रित बंधन एक ऐसी सामग्री बनाता है जो गतिशील और तापीय दोनों रूप से स्थिर है। यह एक महत्वपूर्ण खोज थी क्योंकि एक द्वि-आयामी चादर में अपने ही प्रकार के परमाणुओं के बीच बंधन होने का विषय कम खोजा गया क्षेत्र था, और इसकी स्थिरता की पुष्टि करना यह सुझाव देता है कि प्रकृति पहले से सोची गई तुलना में अधिक विविध प्रकार की स्थिर परमाणु व्यवस्थाओं की अनुमति दे सकती है।

एक बार स्थिरता की पुष्टि हो जाने के बाद, टीम ने इस बात की खोज की कि यह सामग्री खिंचाव के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती है। उन्होंने आभासी चादर को दो अलग-अलग दिशाओं में, इसके ग्रिड के क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर अक्षों के अनुदिश खींचा। परिणामों ने ताकत में एक आश्चर्यजनक अंतर प्रकट किया। जब इसे एक दिशा में खींचा गया, तो सामग्री स्थायी रूप से विकृत होने से पहले लगभग 16.5 प्रतिशत तक खिंच सकी। जब इसे लंबवत दिशा में खींचा गया, तो यह केवल 7.0 प्रतिशत खिंचाव पर ही हार मान गई। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि परमाणुओं को थामे रखने वाले बंधन हर दिशा में समान नहीं होते हैं। एक दिशा नाइट्रोजन परमाणुओं के बीच मजबूत बंधनों द्वारा सुदृढ़ होती है, जो एक मजबूत रस्सी की तरह कार्य करती है, जबकि दूसरी दिशा गैलियम परमाणुओं के बीच कमजोर बंधनों पर निर्भर करती है, जो एक लचीले तार की तरह हैं। इसका अर्थ है कि यह सामग्री अत्यधिक एनिसोट्रोपिक (anisotropic) है, जो वैज्ञानिक रूप से कहने का एक तरीका है कि इसमें दिशा का एक मजबूत बोध है, जो एक दिशा में एक सख्त बीम की तरह और दूसरी दिशा में एक अधिक लचीली चादर की तरह व्यवहार करती है।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि यह सामग्री बिजली और प्रकाश को कैसे संभालती है। उन्होंने पाया कि T-GaN एक अर्धचालक (semiconductor) के रूप में कार्य करता है, जो एक ऐसी सामग्री है जो कुछ स्थितियों में बिजली का संचालन कर सकती है लेकिन अन्य स्थितियों में नहीं। इसमें एक विशिष्ट ऊर्जा अंतराल (energy gap) होता है जो इलेक्ट्रॉनों को स्वतंत्र रूप से बहने से रोकता है जब तक कि उन्हें इस अंतराल को पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा न मिले। इस अंतराल का आकार काफी छोटा पाया गया, जो यह सुझाव देता है कि यह सामग्री कम ऊर्जा पर संचालित होने वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए उपयोगी हो सकती है। इसके अलावा, इस सामग्री में कोई चुंबकीय गुण नहीं हैं, जिसका अर्थ है कि यह चुंबक की तरह कार्य नहीं करती है, जो कई इलेक्ट्रॉनिक सर्किटों के लिए एक वांछनीय गुण है। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि सामग्री प्रकाश के साथ इस तरह से अंतःक्रिया करती है जो प्रकाश की दिशा पर बहुत अधिक निर्भर करती है। यदि प्रकाश चादर पर बगल से टकराता है, तो यह ऊपर से टकराने वाले प्रकाश की तुलना में अलग तरह से अवशोषित होता है। यह सामग्री पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश के लिए विशेष रूप से पारदर्शी है लेकिन कुछ कोणों से देखे जाने पर दृश्य प्रकाश (visible light) का एक महत्वपूर्ण हिस्सा परावर्तित करती है, जो इसे उन विशेष ऑप्टिकल उपकरणों के लिए एक संभावित उम्मीदवार बनाती है जिन्हें विशिष्ट तरीकों से प्रकाश को फ़िल्टर या निर्देशित करने की आवश्यकता होती है।

अंततः, यह जांच एक नए प्रकार की द्वि-आयामी सामग्री की एक स्पष्ट तस्वीर पेश करती है जो स्थिर, विशिष्ट दिशाओं में मजबूत और प्रकाश एवं बिजली के प्रति अद्वितीय तरीकों से प्रतिक्रियाशील है। यह खोज कि गैलियम नाइट्राइड की चादर स्थिर रह सकती है भले ही इसमें एक ही तत्व के परमाणुओं के बीच बंधन मौजूद हों, भविष्य के नैनोमटेरियल्स को डिजाइन करने की संभावनाओं का विस्तार करती है। यह सुझाव देता है कि परमाणुओं को इन टेट्रागोनल, चार-और-आठ रिंग पैटर्न में पुनर्व्यवस्थित करके, वैज्ञानिक ऐसी अनुकूलित गुण वाली सामग्रियां बना सकते हैं जो प्रकृति के अधिक सामान्य षट्कोणीय रूपों में मौजूद नहीं हैं। हालांकि ये निष्कर्ष कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं और अभी तक प्रयोगशाला में भौतिक रूप से नहीं बनाए गए हैं, फिर भी वे क्या संभव हो सकता है, इसका एक ठोस ब्लूप्रिंट प्रदान करते हैं, जो दिशा के प्रति संवेदनशील और उच्च दक्षता के साथ संचालित होने में सक्षम अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल उपकरणों को बनाने की दिशा में एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं।