Tuning the secondary electron yield and electronic conductivity of MgZnO multilayers synthesized by Atomic layer deposition

अंतरिक्ष के शांत, वायुहीन निर्वात में, अदृश्य कणों के विरुद्ध एक निरंतर एक शांत युद्ध लड़ा जा रहा है। उपग्रह और अंतरिक्ष यान लगातार सूर्य से आने वाले इलेक्ट्रॉनों की धाराओं और ब्रह्मांडीय किरणों (कॉस्मिक किरणों) से बमबारी का सामना करते हैं। जब ये ऊर्जावान इलेक्ट्रॉन उपग्रह की सतह से टकराते हैं, तो वे स्वयं उस सामग्री से अन्य इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकाल सकते हैं। यह घटना, जिसे 'सेकेंडरी इलेक्ट्रॉन एमिशन' कहा जाता है, आमतौर पर हानिरहित होती है। हालांकि, विशिष्ट परिस्थितियों में, यह 'मल्टीपैक्टिंग' नामक एक अनियंत्रित प्रभाव को जन्म दे सकती है। कल्पना कीजिए कि एक एकल इलेक्ट्रॉन किसी सतह से टकराता है और दो और इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करता है; यदि वे दो अन्य सतहों से टकराते हैं और चार को मुक्त करते हैं, और इसी तरह आगे बढ़ते हैं, तो कुछ ही क्षणों में इलेक्ट्रॉनों का एक घना बादल बन सकता है। यह बादल उपग्रह की रेडियो प्रणालियों से ऊर्जा सोख सकता है, जिससे वे अत्यधिक गर्म होकर विफल हो सकती हैं, या यहाँ तक कि विद्युत विसर्जन (इलेक्ट्रिकल डिस्चार्ज) को भी ट्रिगर कर सकती है जो सौर पैनलों को नुकसान पहुँचा सकता है। इसे रोकने के लिए, इंजीनियरों को ऐसे पदार्थों की आवश्यकता होती है जो या तो इन इलेक्ट्रॉनों को बढ़ने से रोकें या विद्युत आवेश को सुरक्षित रूप से बहने दें। समस्या यह है कि अधिकांश पदार्थ केवल इनमें से एक ही कार्य में कुशल होते हैं: इन्सुलेटर (कुचालक) प्रसार को तो रोक देते हैं लेकिन आवेश को फँसा लेते हैं, जबकि कंडक्टर (सुचालक) आवेश को बहने देते हैं लेकिन अक्सर इलेक्ट्रॉनों को बढ़ने के लिए प्रोत्साहित करते हैं। ऐसा पदार्थ खोजना जो दोनों कार्य कर सके, या जो इंजीनियरों को इन गुणों को स्वतंत्र रूप से ट्यून करने की अनुमति दे, अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी में एक लंबे समय से चली आ रही चुनौती रही है।

फ्रांस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सतहों को परमाणु स्तर पर, परमाणु दर परमाणु, नीचे से ऊपर की ओर बनाकर इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका विकसित किया है। एक एकल आदर्श सामग्री खोजने के बजाय, उन्होंने एक स्तरित संरचना (लेयर्ड स्ट्रक्चर) बनाई, जिसमें दो अलग-अलग पदार्थों: जिंक ऑक्साइड और मैग्नीशियम ऑक्साइड की पतली परतों को एक के ऊपर एक रखा गया। 'एटॉमिक लेयर डिपोजिशन' नामक एक सटीक तकनीक का उपयोग करके, जो उन्हें परमाणु सटीकता के साथ प्रत्येक परत की मोटाई को नियंत्रित करने की अनुमति देती है, उन्होंने अठारह विभिन्न नमूनों की एक लाइब्रेरी तैयार की। इन नमूनों में, उन्होंने न केवल दोनों सामग्रियों के रासायनिक मिश्रण को बदला, बल्कि परतों की वास्तुकला (आर्किटेक्चर) को भी बदला, जिससे यह परिवर्तन हुआ कि प्रत्येक सामग्री के कितने चक्रों को एक दूसरे के ऊपर रखा गया था। लक्ष्य यह देखना था कि क्या वे स्वतंत्र रूप से यह समायोजित कर सकते हैं कि सतह कितने इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करेगी और सतह बिजली का संचालन कितनी अच्छी तरह करेगी।

परिणामों से पता चला कि परतों की संरचना रासायनिक सामग्रियों के समान ही महत्वपूर्ण है। जब शोधकर्ताओं ने दोनों सामग्रियों को इस तरह मिलाया जिससे एक समान मिश्रण बना, तो उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने अधिक मैग्नीशियम ऑक्साइड (एक कुचालक) जोड़ा, विद्युत चालकता नाटकीय रूप रूप से गिर गई, जबकि इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन अपेक्षाकृत कम रहा। कम चालकता और कम इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन का यह संयोजन, कण त्वरकों (पार्टिकल एक्सेलरेटर) और उपग्रहों में सुपरकंडक्टिंग रेडियो-फ्रीक्वेंसी कैविटीज को मल्टीपैक्टिंग के विघटनकारी प्रभावों से बचाने के लिए बिल्कुल वैसा ही है जैसा आवश्यक है। हालांकि, टीम ने कुछ और भी अधिक शक्तिशाली खोजा जब उन्होंने परतों की वास्तुकला को बदला। परतों के दो अलग-अलग, बारी-बारी से आने वाले क्रम बनाकर, उन्होंने पाया कि वे उन गुणों के संयोजन को अनलॉक कर सकते हैं जो एक एकल, समान सामग्री में असंभव हैं। वे ऐसी सतहें बनाने में सक्षम थे जो अत्यधिक चालक और अत्यधिक उत्सर्जक दोनों थीं, यह जोड़ी माइक्रोचैनल प्लेट्स जैसे उपकरणों के लिए आवश्यक है, जिनका उपयोग डिटेक्टरों में कमजोर संकेतों को बढ़ाने के लिए किया जाता है। हालांकि, इस अनुकूलन की सीमाएं भी हैं: जैसे-जैसे उत्सर्जन को अधिकतम करने के लिए परतें मोटी होती गईं, शीर्ष परत की कुचालक प्रकृति अंततः इतनी प्रभावी हो गई कि उसने विद्युत धारा को पूरी तरह से अवरुद्ध कर दिया, जिससे सबसे घने नमूनों में चालकता मापना भी असंभव हो गया।

शोधकर्ताओं ने देखा कि इन परतों का व्यवहार उनकी मोटाई और उनके जमा होने के क्रम पर बहुत अधिक निर्भर करता है। जब परतें बहुत पतली थीं, तो सामग्रियां एक एकल, मिश्रित इकाई की तरह व्यवहार करती थीं। लेकिन जैसे-जैसे परतें मोटी होती गईं, प्रत्येक सामग्री के विशिष्ट गुण फिर से उभरने लगे। जिंक ऑक्साइड की परतें, जो स्वाभाविक रूप से चालक होती हैं, बिजली को बहने देती हैं, जबकि मैग्नीशियम ऑक्साइड की परतें इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन को नियंत्रित करती हैं। इन परतों की मोटाई को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, टीम उस "स्वीट स्पॉट" को खोजने में सफल रही जहाँ सामग्री बिजली का संचालन करने के लिए पर्याप्त अच्छी थी ताकि आवेश के संचय को रोका जा सके, और फिर भी एक एम्पलीफायर के रूप में कार्य करने के लिए पर्याप्त इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित कर सके। उन्होंने यह भी नोट किया कि परतों की क्रिस्टल संरचना उनके बढ़ते समय बदल जाती है, एक ज्यामितीय व्यवस्था से दूसरी में स्थानांतरित हो जाती है, जो इलेक्ट्रॉनों के संचलन और सतह से निकलने के तरीके को और अधिक प्रभावित करती है।

यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि सामग्रियों को स्थिर ब्लॉकों के रूप में नहीं, बल्कि अनुकूलन योग्य, स्तरित संरचनाओं के रूप में मानकर, वैज्ञानिक उन गुणों को अलग कर सकते हैं जो आमतौर पर एक साथ जुड़े होते हैं। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि एक ऐसी सतह डिजाइन करना संभव है जो इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन को न्यूनतम करने और चालकता को अधिकतम करने, या दोनों को अधिकतम करने के कार्य को एक साथ कर सके, बशर्ते कि चालक कोर को कुचालक बनाने से बचने के लिए परत की मोटाई को सावधानीपूर्वक संतुलित किया जाए। निष्कर्ष बताते हैं कि भविष्य के वैक्यूम इलेक्ट्रॉनिक्स का मार्ग किसी नए रासायनिक यौगिक को खोजने में नहीं, बल्कि मौजूदा सामग्रियों को एक के ऊपर एक रखने की सटीक इंजीनियरिंग में निहित है। यह दृष्टिकोण कार्यात्मक सतहों के निर्माण का द्वार खोलता है जिन्हें अंतरिक्ष के कठोर वातावरण का सामना करने या वैज्ञानिक उपकरणों की संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए तैयार किया जा सकता है, जो पदार्थ और ऊर्जावान इलेक्ट्रॉनों के बीच की अंतःक्रिया पर नियंत्रण का एक नया स्तर प्रदान करता है।