On the Spontaneous Structural Reconstructions of Chalcogen-Depleted MoS, MoSe, and Janus MoSSe Monolayers
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि चल्कोजन-विहीन (chalcogen-depleted) MoS, MoSe, और जेनस (Janus) MoSSe मोनोलेयर्स का स्वतःस्फूर्त संरचनात्मक पुनर्गठन मुख्य रूप से मूल जालक (parent lattice) के बजाय शेष बचे चल्कोजन परमाणु के प्रकार द्वारा निर्धारित होता है, जिसमें सेलेनियम कम तापमान पर भी तीव्र विकार और जालक संकुचन को प्रेरित करता है जबकि सल्फर उच्च तापमान तक क्रिस्टलीय क्रम को संरक्षित रखता है, जिससे एक ही मोनोलेयर के भीतर पैटर्न वाले क्रिस्टलीय और विकार वाले क्षेत्रों का निर्माण संभव हो पाता है।
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एक ऐसी सामग्री की शीट की कल्पना करें जो इतनी पतली है कि वह केवल एक परमाणु जितनी मोटी है, फिर भी इसमें तेज़ इलेक्ट्रॉनिक्स से लेकर अधिक कुशल सौर सेल तक सब कुछ बदलने का वादा छिपा है। ये द्वि-आयामी (two-dimensional) क्रिस्टल हैं, विशेष रूप से एक परिवार जिसे ट्रांजिशन-मेटल डिक्ल्सकोजनइड्स (transition-metal dichalcogenides) के रूप में जाना जाता है। इन्हें एक सैंडविच के रूप में सोचें: धातु के परमाणुओं की एक एकल परत, जैसे मोलिब्डेनम, गैर-धातु परमाणुओं की दो परतों के बीच मजबूती से दबी होती है, जिन्हें चाल्कोजन (chalcogens) कहा जाता है, जो इस मामले में सल्फर या सेलेनियम हैं। सामान्य परिस्थितियों में, यह सैंडविच स्थिर और व्यवस्थित होता है। हालाँकि, प्रकृति शायद ही कभी पूर्ण होती है। वास्तविक दुनिया में, ये शीट अक्सर अपने बाहरी परमाणुओं में से कुछ को खो देती हैं, जिससे धातु की परत उजागर और अस्थिर हो जाती है। जब ऐसा होता है, तो शेष परमाणु केवल वहीं नहीं पड़े रहते; वे एक नई, अधिक आरामदायक व्यवस्था खोजने के लिए छटपटाते हैं। यह प्रक्रिया, जिसे संरचनात्मक पुनर्गठन (structural reconstruction) कहा जाता है, यह निर्धारित करती है कि सामग्री एक उपयोगी, व्यवस्थित क्रिस्टल बनी रहती है या एक अस्त-व्यस्त, अव्यवस्थित अवस्था में ढह जाती है। यह समझना कि यह बिल्कुल कैसे और क्यों होता है, उन इंजीनियरों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है जो इन नाजुक शीटों से उपकरण बनाने की आशा करते हैं, क्योंकि सामग्री का व्यवहार पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि वह क्षति से कैसे उबरती है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस रिकवरी प्रक्रिया के संबंध में एक विशिष्ट पहेली को सुलझाने का लक्ष्य रखा। वे जानना चाहते थे कि क्या क्षति के बाद पीछे छूटे हुए परमाणु का प्रकार, क्रिस्टल के मूल आकार की तुलना में अधिक मायने रखता है। इसका परीक्षण करने के लिए, उन्होंने तीन अलग-अलग शुरुआती सामग्रियों को देखा: मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड की एक मानक शीट, मोलिब्डेनम डाइसेलेनाइड की एक शीट, और एक "जेनस" (Janus) शीट, जो एक हाइब्रिड है जहाँ एक तरफ सल्फर है और दूसरी तरफ सेलेनियम है। प्रत्येक शीट से परमाणुओं की एक पूरी बाहरी परत को हटाने का अनुकरण (simulating) करके, उन्होंने चार अलग-अलग परिदृश्य बनाए ताकि उन्हें देखा जा सके। दो मामलों में, धातु पर सल्फर पीछे रह गया था। अन्य दो मामलों में, सेलेनियम शेष रहा। वैज्ञानिकों ने इन परमाणु शीटों को समय के साथ विकसित होते देखने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जिसमें उन्होंने शेष परमाणुओं की गति और धातु के लैटिस (lattice) की प्रतिक्रिया को ट्रैक किया।
उन्होंने एक स्पष्ट और निर्णायक नियम की खोज की: शेष बचे परमाणु की पहचान परिणाम को तय करती है, जबकि मूल जनक सामग्री की भूमिका केवल मामूली होती है। जब सल्फर के परमाणु पीछे रह गए थे, तो शीट ने उल्लेखनीय धैर्य के साथ व्यवहार किया। कमरे के तापमान पर, सल्फर परमाणु अपनी जगह पर बने रहे, और उनके नीचे का धातु लैटिस एक पूर्ण, क्रिस्टलीय ग्रिड बना रहा। यह केवल तब हुआ जब शोधकर्ताओं ने सिमुलेशन को 900 केल्विन तक गर्म किया, तब सल्फर के परमाणु हिलने लगे, और नई स्थितियाँ खोजने के लिए धातु के तल को पार कर गए। यहाँ तक कि तब भी, धातु के परमाणु व्यवस्थित रहने में सक्षम थे, जिससे छोटे, सुव्यवस्थित द्वीप बने जो लंबे समय तक बने रहे, हालांकि तापमान बढ़ने और शीट में छोटे छेद होने के साथ वे धीरे-धीरे टूटने लगे।
जब सेलेनियम शेष बचा हुआ परमाणु था, तो कहानी पूरी तरह से अलग थी। इन सिमुलेशन में, शीट ने लगभग तुरंत ही अपना क्रम खो दिया। जैसे ही सिमुलेशन शुरू हुआ, कमरे के तापमान पर भी, सेलेनियम के परमाणुओं ने धातु के तल को पार करना शुरू कर दिया। पहले ट्रिलियनवें सेकंड के भीतर, धातु का लैटिस, जो एक पूर्ण षट्कोणीय (hexagonal) ग्रिड था, पूरी तरह से अपनी क्रिस्टलीय संरचना खो बैठा और अव्यवस्थित हो गया। यह पुनर्गठन इतनी तेज़ी से हुआ कि सिमुलेशन का तापमान बहुत कम मायने रखता था; वातावरण ठंडा हो या गर्म, सेलेनियम के परमाणुओं ने पार किया ही। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रक्रिया ने महत्वपूर्ण मात्रा में ऊर्जा मुक्त की, जिसने परमाणुओं को एक नई, अधिक घनी संरचना में धकेल दिया जो व्यवस्थित अवस्था से मौलिक रूप से भिन्न थी।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके निष्कर्ष एक छोटे कंप्यूटर मॉडल के सीमित दृश्य से परे भी टिके रहें, टीम ने बहुत बड़ी शीटों पर भी सिमुलेशन चलाया, जिसका माप 50 बाय 50 नैनोमीटर था। इन बड़े मॉडलों ने पैटर्न की पुष्टि की: यदि सल्फर पीछे रह जाता है, तो शीट अपने क्रिस्टल ढांचे को नैनोसेकंड या उससे अधिक समय तक बनाए रख सकती है, जबकि सेलेनियम का अर्थ था तत्काल अव्यवस्था। शोधकर्ताओं ने एक हाइब्रिड परिदृश्य का भी परीक्षण किया, एक एकल शीट बनाई जो आधी सल्फर-आधारित और आधी सेलेनियम-आधारित थी। परिणाम आश्चर्यजनक था। दोनों हिस्से बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करते थे जैसा कि वे अलग-अलग शीटों के रूप में करते। सल्फर वाला हिस्सा व्यवस्थित रहा जबकि सेलेनियम वाला हिस्सा अराजकता में गिर गया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि पुनर्गठन मोड एक स्थानीय गुण है जो पूरी तरह से सतह पर मौजूद परमाणु द्वारा निर्धारित होता है।
अध्ययन ने यह भी प्रकट किया कि इस प्रक्रिया के दौरान शीट का भौतिक आकार कैसे बदलता है। जैसे-जैसे परमाणु धातु के तल को पार करते हैं, शीट केवल लंबवत (vertically) पुनर्गठित नहीं होती है; यह क्षैतिज रूप से (horizontally) भी सिकुड़ती है। यह संकुचन समान नहीं था; शीट ने एक दिशा में दूसरी दिशा की तुलना में अधिक दबाव डाला, जिससे इसकी मूल समरूपता (symmetry) टूट गई। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यह सिकुड़ना परमाणुओं के हिलने के बाद हुआ, जिससे पता चलता है कि संरचनात्मक पुनर्गठन स्वयं लैटिस को सिकोड़ने के लिए मजबूर करता है। बड़े सिमुलेशन में, उन्होंने देखा कि शेष सल्फर परमाणु विशिष्ट तरीकों से एक साथ क्लस्टर बनाने की प्रवृत्ति रखते हैं, जबकि सेलेनियम के परमाणु अधिक यादृच्छिक (randomly) रूप से फैल जाते हैं।
अंततः, यह कार्य सुझाव देता है कि वैज्ञानिक यह चुनकर इन क्षतिग्रस्त सामग्रियों के भाग्य को नियंत्रित कर सकते हैं कि कौन से परमाणु पीछे छोड़े गए हैं। यदि किसी सामग्री को परमाणुओं को खोने के बाद अपने क्रिस्टलीय ढांचे को बनाए रखने के लिए डिज़ाइन किया गया है, तो उसे सल्फर को बरकरार रखना चाहिए। यदि लक्ष्य एक अव्यवस्थित, एमॉर्फस (amorphous) क्षेत्र बनाना है, तो सेलेनियम कुंजी है। यह अंतर्दृष्टि "चाल्कोजन पैटर्निंग" (chalcogen patterning) के लिए एक संभावित मार्ग खोलती है, जहाँ इंजीनियर एक ही शीट के भीतर विशिष्ट क्रम और अव्यवस्था के क्षेत्रों को बनाने के लिए जानबूझकर विभिन्न परमाणुओं को व्यवस्थित कर सकते हैं। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि ये परिणाम कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं, लेकिन सल्फर और सेलेनियम के बीच का स्पष्ट अंतर यह समझने के लिए एक विश्वसनीय मार्ग प्रदान करता है कि वास्तविक दुनिया में ये परमाणु शीट क्षतिग्रस्त या परिवर्तित होने पर कैसे प्रतिक्रिया करेंगी।
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