Controlled Fabrication of Uniform Columnar Porous GaN Architectures by Electrochemical Etching
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि इलेक्ट्रोकेमिकल नक़्क़ाशी (एचिंग) समाधानों में हाइड्रॉक्साइड आयनों को जोड़ने से एक विशिष्ट अभिक्रिया तंत्र के माध्यम से नियंत्रित, समान, ऊर्ध्वाधर रूप से संरेखित स्तंभकार छिद्रयुक्त GaN संरचनाओं के निर्माण में सक्षमता मिलती है, जो ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए उच्च-सरंध्रता वाली संरचनाओं के इंजीनियरिंग हेतु एक बहुमुखी मार्ग प्रदान करता है।
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गैलियम नाइट्राइड एक कठोर, टिकाऊ सामग्री है जो हमारे प्रकाशों में चमकीले नीले एलईडी को शक्ति प्रदान करती है और हमारे इलेक्ट्रॉनिक्स में तेज़ ट्रांजिस्टर को संचालित करती है। यह एक अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) है, जिसका अर्थ है कि यह विशिष्ट परिस्थितियों में बिजली का संचालन करता है, लेकिन यह गर्मी और रसायनों के प्रति अविश्वसनीय रूप से स्थिर भी है। इस सामग्री को और अधिक उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर इसके ठोस ब्लॉकों को स्पंज में बदलने का प्रयास करते हैं। इसमें छोटे छिद्रों से भरी एक सरंध्र (पोरस) संरचना बनाकर, वे सतह क्षेत्र को बढ़ा सकते हैं, जिससे सामग्री प्रकाश, गैसों या अन्य रसायनों के साथ अधिक प्रभावी ढंग से परस्पर क्रिया कर पाती है। यह बेहतर सेंसर, अधिक कुशल उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) बनाने या सामग्री की नई परतों के ऊपर उगाई जाने वाली नई परतों पर बनने वाले आंतरिक तनाव को कम करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। हालाँकि, इन छिद्रों को बनाना कठिन है। मानक विधि, जो सामग्री के कुछ हिस्सों को घोलने के लिए बिजली का उपयोग करती है, अक्सर एक ऐसी अव्यवस्थित सतह का परिणाम देती है जो उपयोग के लिए बहुत खुरदरी होती है, या एक ऐसी संरचना जो आपस में जुड़ने के लिए बहुत कमजोर होती है। चुनौती एक ऐसा स्पंज बनाने की थी जो अत्यधिक सरंध्र भी हो और पूरी तरह से व्यवस्थित भी, जिसमें चिकनी दीवारें और समान छिद्र हों।
कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने उस तरल स्नान (लिक्विड बाथ) को बदलकर इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका खोजा है जिसमें वे नक्काशी (एचिंग) करते हैं। उन्होंने पाया कि एक गैर-अम्लीय समाधान में एक विशिष्ट घटक, हाइड्रॉक्साइड जोड़ना, एक मार्गदर्शक के रूप में कार्य करता है, जो छिद्रों को बेतरतीब ढंग से शाखाएं बनाने के बजाय सीधे स्तंभों की तरह नीचे की ओर बढ़ने के लिए मजबूर करता है। अपने प्रयोगों में, उन्होंने गैलियम नाइट्रइड की एक पतली परत की नक्काशी के लिए बाथ बनाने हेतु सोडियम ऑक्सालेट के साथ सोडियम हाइड्रॉक्साइड, दो सामान्य रसायनों को मिलाया। जब उन्होंने अकेले सोडियम ऑक्सालेट का उपयोग किया, तो प्रक्रिया ने एक अत्यधिक सरंध्र लेकिन अत्यंत खुरदरी और असमान सतह बनाई। जब उन्होंने अकेले सोडियम हाइड्रॉक्साइड का उपयोग किया, तो छिद्र ऊर्ध्वाधर रूप से बढ़े लेकिन सतह ऊबड़-खाबड़ और असंगत बनी रही। लेकिन जब उन्होंने इन दोनों को एक साथ मिलाया, तो कुछ अप्रत्याशित हुआ। परिणामी संरचना चिकनी दीवारों और एक समान सतह के साथ पूरी तरह से संरेखित, ऊर्ध्वाधर स्तंभों का एक जंगल थी। यह केवल एक रसायन द्वारा दूसरे पर हावी होने का मामला नहीं था; इस मिश्रण ने एक पूरी तरह से नया तरीका बनाया जिससे सामग्री घुलती थी, जिसने दोनों घटकों के सर्वोत्तम गुणों को संयोजित किया।
शोधकर्ताओं ने पाया कि इस नए व्यवहार की कुंजी हाइड्रॉक्साइड आयन थी। उन्होंने प्रस्तावित किया कि यह प्रक्रिया दो अलग-अलग चरणों में होती है। पहले, हाइड्रॉक्साइड आयन गैलियम परमाणुओं के साथ परस्पर क्रिया करके एक अस्थायी, प्रतिक्रियाशील मध्यवर्ती (इंटरमीडिएट) बनाते हैं। फिर, ऑक्सालेट आयन उन परमाणुओं को पूरी तरह से हटाने के लिए आगे आते हैं, जिससे उन्हें क्रिस्टल लैटिस से साफ कर दिया जाता है। यह दो-चरणीय नृत्य छिद्रों को सीधा और सटीक रूप से बढ़ने देता है। यह सिद्ध करने के लिए कि हाइड्रॉक्साइड ही आवश्यक निर्देशक था, उन्होंने सोडियम कार्बोनेट और सोडियम फॉस्फेट जैसे अन्य क्षारीय समाधानों का परीक्षण किया। सोडियम हाइड्रॉक्साइड को सीधे डाले बिना भी, ये रसायन पानी में स्वाभाविक रूप से हाइड्रॉक्साइड आयन छोड़ते हैं। दोनों मामलों में, परिणाम वही था: उन साफ, ऊर्ध्वाधर स्तंभों का निर्माण। इसने पुष्टि की कि हाइड्रॉक्साइड की उपस्थिति ही विकास को निर्देशित करती है, चाहे मिश्रण में अन्य रसायन कुछ भी हों।
टीम ने यह भी दिखाया कि वे समाधान में रसायनों के अनुपात को समायोजित करके इन स्तंभों के आकार और अंतराल को नियंत्रित कर सकते हैं। सोडियम ऑक्सालेट के सापेक्ष सोडियम हाइड्रॉक्साइड की मात्रा बदलकर, वे छिद्रों को चौड़ा या संकरा, करीब या दूर बना सकते थे। उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट मिश्रण, जहाँ दोनों रसायन समान मात्रा में मौजूद थे, उच्चतम सरंध्रता उत्पन्न करता था, जिसका अर्थ है कि स्पंज जैसी संरचना बनाने के लिए सबसे अधिक सामग्री हटाई गई थी। वे सतह की खुरदरापन को भी ट्यून कर सकते थे, और उन्होंने एक ऐसा "स्वीट स्पॉट" पाया जहाँ सतह अविश्वसनीय रूप से चिकनी थी, जो बहुत महत्वपूर्ण है यदि कोई बाद में इस सरंध्र संरचना के ऊपर नई इलेक्ट्रॉनिक परतें उगाना चाहता है।
रसायनों को मिलाने के अलावा, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे प्रक्रिया के दौरान लगाए गए विद्युत वोल्टेज को समायोजित करके छिद्रों के आकार को बदल सकते हैं। कम वोल्टेज पर, छिद्र संकीर्ण थे और सीधे नीचे बढ़े। जैसे-जैसे उन्होंने वोल्टेज बढ़ाया, स्तंभ चौड़े हो गए और सतह अधिक परस्पर जुड़ी हुई हो गई, जबकि गहराई में छिद्र स्पष्ट और अलग रहे। इसने उन्हें विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए सामग्री को डिजाइन करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण दिया। उदाहरण के लिए, वे एक ऐसी संरचना बना सकते थे जिसमें चिकनी, बंद सतह हो लेकिन अत्यधिक सरंध्र आंतरिक भाग हो, जो कुछ प्रकार के सेंसरों के लिए या नई डिवाइसों में तनाव कम करने के लिए आदर्श है। उन्होंने यह भी दिखाया कि वे एक ही प्रयोग के दौरान वोल्टेज को ऊपर-नीचे कर सकते हैं ताकि एक स्तरित संरचना बनाई जा सके, जिसमें अलग-अलग गहराइयों पर अलग-अलग छिद्रों का आकार हो, जिससे प्रभावी रूप से एक जटिल, बहु-मंजिला स्पंज एक ही बार में बनाया जा सके।
यह कार्य इन उन्नत सामग्रियों को इंजीनियर करने के लिए एक स्पष्ट, नियंत्रणीय मार्ग प्रदान करता है। यह समझकर कि हाइड्रॉक्साइड आयन प्रतिक्रिया के पहले चरण में एक अनूठी भूमिका निभाते हैं, वैज्ञानिक अब भविष्यवाणी कर सकते हैं कि विभिन्न रासायनिक मिश्रण कैसे व्यवहार करेंगे। यह क्षेत्र को 'ट्रायल एंड एरर' (प्रयास और त्रुटि) से आगे ले जाता है, जिससे सटीक आर्किटेक्चर के साथ सरंध्र गैलियम नाइट्राइड बनाने के लिए एक विश्वसनीय विधि मिलती है। ऐसी सामग्रियां अगली पीढ़ी के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए आवश्यक हैं, जहाँ प्रदर्शन सुधारने, गर्मी प्रबंधित करने या नए कार्यों को एकीकृत करने के लिए उच्च सरंध्रता और व्यवस्थित संरचनाओं की आवश्यकता होती है। इन संरचनाओं को इतनी सटीकता से ट्यून करने की क्षमता कैटालिसिस, सेंसिंग और उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए नए अनुप्रयोगों के द्वार खोलती है, जो एक कठिन विनिर्माण समस्या को एक बहुमुखी डिजाइन टूल में बदल देती है।
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