Thickness-Controlled Ferroelectric-to-Ionic Transport in CuCrP2S6 at Room Temperature

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, सामग्रियों का चयन अक्सर एक विशिष्ट प्रतिभा के लिए किया जाता है। कुछ बिजली का संचालन करने में उत्कृष्ट होते हैं, जबकि अन्य एक निश्चित दिशा में विद्युत आवेश को बनाए रखकर सूचना को संग्रहीत करने में महारत रखते हैं, जिसे फेरोइलेक्ट्रिसिटी (ferroelectricity) नामक गुण कहा जाता है। तीसरा समूह ऐसी सामग्रियां है जो आयनों को, जो कि सूक्ष्म आवेशित परमाणु होते हैं, अपने ढांचे के माध्यम से स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति देता है, यह व्यवहार मानव मस्तिष्क में न्यूरॉन्स के सक्रिय होने की नकल करता है। दशकों से, वैज्ञानिक एक ऐसी सामग्री की तलाश कर रहे हैं जो एक साथ ये तीनों काम कर सके, इस उम्मीद में कि इससे ऐसे उपकरण बनाए जा सकें जो छोटे, तेज़ और जैविक प्रणाली की तरह सीखने में सक्षम हों। चुनौती यह रही है कि ये गुण अक्सर एक-दूसरे से लड़ते हैं; आयनों की वह गति जो मस्तिष्क जैसी कार्यप्रणाली को सक्षम बनाती है, स्मृति के लिए आवश्यक स्थिर विद्युत आवेशों को अस्त-व्यस्त कर सकती है। एक ऐसी सामग्री खोजना जहाँ ये विरोधी बल एक-दूसरे को रद्द करने के बजाय सह-अस्तित्व में रहें और सहयोग करें, अगली पीढ़ी की तकनीक की खोज में एक महत्वपूर्ण बाधा बनी हुई है।

मॉर्गन स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने कॉपर क्रोमियम फास्फोरस सल्फाइड नामक एक क्रिस्टल में एक आशाजनक उम्मीदवार पाया है। यह सामग्री वांडर वाल्स (van der Waals) यौगिकों के एक परिवार से संबंधित है, जो कागज के ढेरों की तरह बने होते हैं जहाँ परतों को कमजोर बलों द्वारा एक साथ रखा जाता है, जिससे उन्हें अत्यंत पतली चादरों में अलग किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस सामग्री का व्यवहार इस बात पर नाटकीय रूप से बदल जाता है कि वह चादर कितनी मोटी है। जब क्रिस्टल को एक बहुत ही पतली परत में काटा जाता है, जो चालीस नैनोमीटर से कम मापती है, तो यह एक मजबूत मेमोरी डिवाइस के रूप में कार्य करता है, जो अपने विद्युत आवेश को मजबूती से बनाए रखता है। हालाँकि, जैसे-जैसे क्रिस्टल मोटा होता जाता है, उस आवेश को बनाए रखने की क्षमता कम हो जाती है, और सामग्री एक अलग मोड में बदल जाती है जहाँ बिजली मुख्य रूप से कॉपर आयनों की गति के माध्यम से प्रवाहित होती है। चालकता के इन दो अलग-अलग तरीकों के बीच यह मोटाई-नियंत्रित स्विच, मेमोरी स्टोरेज से लेकर कृत्रिम सिनैप्स (artificial synapses) तक विशिष्ट कार्यों के लिए सामग्रियों को ट्यून करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।

टीम ने क्रिस्टल की विद्युत ध्रुवीकरण (electric polarization) बदलने की क्षमता की जांच करके शुरुआत की, जो कि उसके आंतरिक आवेशों की दिशा है। एक विशेष सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए जो सतह पर सूक्ष्म बलों को महसूस कर सकता है, उन्होंने विभिन्न मोटाई की परतों का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि सबसे पतले नमूनों में, वे विद्युत आवेश के पैटर्न लिख सकते थे जो घंटों तक स्थिर रहते थे, जो एक अच्छे मेमोरी मटेरियल की पहचान है। इन पतली परतों को विश्वसनीयता के साथ आगे-पीछे बदला जा सकता था, ठीक एक लाइट स्विच की तरह। लेकिन जैसे-जैसे परतें मोटी होती गईं, स्थिर विद्युत पैटर्न बनाए रखने की यह क्षमता कमजोर पड़ने लगी। सबसे मोटी नमूनों में, विद्युत आवेश जल्दी ही फीका पड़ गया, और सामग्री एक मेमोरी डिवाइस की तरह व्यवहार करना बंद कर दिया। इसके बजाय, इन मोटी परतों में विद्युत धारा भौतिक रूप से क्रिस्टल के माध्यम से चलते हुए कॉपर आयनों द्वारा संचालित थी, जो एक अलग प्रकार के विद्युत हस्ताक्षर का निर्माण करती है जिसे मेमरिस्टिव (memristive) व्यवहार कहा जाता है।

सामग्री के भीतर क्या हो रहा था, इसे समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने परतों की सतह पर विद्युत विभव (electric potential) को मापा। उन्होंने देखा कि सतह का विभव, जो आंतरिक विद्युत परिदृश्य को दर्शाता है, मोटाई के साथ परिवर्तनशील रूप से एक अनुमानित तरीके से बदलता है। पतली, मेमोरी जैसी परतों में, सतह का विभव लिखे जाने के बाद स्थिर रहा, जिससे पुष्टि हुई कि विद्युत आवेश एक स्थान पर लॉक थे। मोटी परतों में, यह स्थिरता गायब हो गई, और सतह का विभव तेजी से शिथिल हो गया, जो संकेत देता है कि आंतरिक आवेश स्थिर नहीं थे बल्कि घूम रहे थे। इस बदलाव ने सुझाव दिया कि मोटी परतों में, कॉपर आयनों की गति प्रमुख शक्ति थी, जिसने पतले संस्करणों में देखे गए स्थिर विद्युत क्रम को दबा दिया। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि इन परीक्षणों के दौरान क्रिस्टल की संरचना स्वयं भौतिक रूप से नहीं बदली, जिससे इस संभावना खारिज हो गई कि सामग्री केवल टूट रही थी या विकृत हो रही थी; परिवर्तन पूरी तरह से विद्युत और आयनिक थे।

अध्ययन ने आगे यह भी पता लगाया कि प्रकाश इन प्रक्रियाओं को कैसे प्रभावित करता है। जब शोधकर्ताओं ने क्रिस्टल पर एक नीली लेजर चमकाई, तो उन्होंने पाया कि प्रकाश ने पतली और मोटी दोनों परतों में बिजली के प्रवाह को आसान बना दिया, लेकिन अलग-अलग कारणों से। मोटी परतों में, प्रकाश ने कॉपर आयनों को और भी तेज़ी से हिलने में मदद की, जिससे चालक पथों का निर्माण अधिक कुशल हो गया और करंट चालू करने के लिए आवश्यक वोल्टेज कम हो गया। इसने एक मजबूत, प्रकाश-संवेदनशील स्विचिंग प्रभाव पैदा किया। पतली परतों में भी, प्रकाश ने करंट को बढ़ाया, लेकिन सामग्री ने अपना स्थिर मेमोरी-जैसा व्यवहार बनाए रखा। प्रकाश ने केवल स्थिर विद्युत आवेशों और चलते हुए आयनों के बीच मौजूदा अंतःक्रिया को बढ़ाया, न कि आयनों को पूरी तरह से हावी होने दिया। यह सुझाव देता है कि पतली परतें एक संयुक्त प्रणाली के रूप में कार्य कर सकती हैं जहाँ प्रकाश, मेमोरी और आयन गति एक साथ काम करते हैं, जबकि मोटी परतें आयन गति द्वारा संचालित एक प्रकाश-नियंत्रित स्विच की तरह कार्य करती हैं।

अंत में, टीम ने वास्तविक दुनिया के परिवेश में इन सूक्ष्म व्यवहारों के टिकने की जांच करने के लिए मोटी क्रिस्टल का उपयोग करके वास्तविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाए। उन्होंने एक क्रिस्टल फ्लेक के दोनों ओर धातु के संपर्क बनाकर सरल सर्किट बनाए और वोल्टेज लगाया ताकि यह देखा जा सके कि करंट कैसे प्रवाहित होता है। परिणाम उनके सूक्ष्म अवलोकन से मेल खाते थे: जैसे-जैसे कॉपर आयन चलते गए, करंट धीरे-धीरे बढ़ता गया, और व्यवहार इस बात पर निर्भर था कि वोल्टेज कितनी तेज़ी से लगाया गया था। जब उन्होंने लाइट को चालू और बंद किया, तो करंट ने तुरंत प्रतिक्रिया दी, लाइट पड़ने पर ऊपर उठा और हटा दिए जाने पर नीचे गिर गया। इसने पुष्टि की कि सूक्ष्मदर्शी के नीचे देखे गए आयनों और आवेशों का यह जटिल नृत्य सीधे एक कार्यशील उपकरण के कार्य में परिवर्तित होता है। यह शोध प्रदर्शित करता है कि केवल सामग्री की मोटाई को समायोजित करके, वैज्ञानिक यह चुन सकते हैं कि क्रिस्टल एक स्थिर मेमोरी तत्व के रूप में कार्य करेगा या एक गतिशील, आयन-चालित स्विच के रूप में, और प्रकाश का उपयोग दोनों मोड को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है। यह खोज भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक घटकों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है जो अपने भौतिक आयामों के आधार पर अपना कार्य बदल सकते हैं, जिससे अधिक बहुमुखी और कुशल तकनीकों के द्वार खुलते हैं।