Optical Thermometry in Monolayer WS2: Raman and Photoluminescence Spectroscopy from 5 K to 1273 K

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जो उन सामग्रियों से बनी है जो इतनी पतली हैं कि वे परमाणुओं की केवल एक परत जितनी मोटी हैं। ये द्वि-आयामी (two-dimensional) क्रिस्टल हैं, जो पदार्थ का एक ऐसा वर्ग है जो हमारे रोजमर्रा के ठोस ब्लॉकों से अलग व्यवहार करता है। इतनी पतली होने के कारण, ये अपने परिवेश के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होते हैं, और गर्मी, प्रकाश तथा जिस सामग्री पर ये टिके होते हैं, उसके प्रति प्रबल प्रतिक्रिया देते हैं। इनमें से, टंगस्टन डाइसल्फाइड नामक एक सामग्री, जो धातु की एक चमकती हुई चादर जैसी दिखती है, भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने वाले वैज्ञानिकों की पसंदीदा बन गई है। इन सूक्ष्म चादरों के काम करने के तरीके को समझने के लिए, शोधकर्ताओं को उनके तापमान को अत्यधिक सटीकता के साथ जानना आवश्यक होता है। हालाँकि, केवल कुछ परमाणुओं मोटी किसी चीज़ की गर्मी को मापना एक विरोधाभास है: आप उस पर थर्मामीटर नहीं लगा सकते क्योंकि इससे वह ढक जाएगी या उसका व्यवहार बदल जाएगा। वर्षों से, वैज्ञानिक इन सामग्रियों के भीतर झाँकने के लिए प्रकाश का उपयोग करते रहे हैं, और यह देखते रहे हैं कि गर्म होने पर उनके रंग या कंपन कैसे बदलते हैं। लेकिन ये प्रकाशीय तकनीकें आमतौर पर तापमान की एक संकीर्ण सीमा के भीतर ही काम करती थीं, और बहुत अधिक ठंडा या गर्म होने पर विफल हो जाती थीं।

फ्रांस और जापान के शोधकर्ताओं ने अब इस समस्या को टंगस्टन डाइसल्फाइड के लिए हल कर दिया है, जिससे इस सामग्री के तापमान को अंतरिक्ष की गहराइयों की जमा देने वाली ठंड से लेकर भट्टी की झुलसा देने वाली गर्मी तक मापने का एक विश्वसनीय तरीका विकसित हुआ है। उन्होंने प्रदर्शित किया कि इस सामग्री की एक एकल परत पर लेजर चमकाकर, वे केवल परावर्तित होने वाले या चमकने वाले प्रकाश का विश्लेषण करके इसके तापमान को पढ़ सकते हैं। यह विधि एक विशाल सीमा में काम करती है, जो 5 केल्विन (जो परम शून्य से कुछ ही डिग्री ऊपर है) से लेकर 1273 केल्विन तक है, जहाँ अधिकांश सामग्रियाँ पिघल जाएँगी या टूट जाएँगी। उनकी सफलता की कुंजी केवल एक नई तकनीक खोजना नहीं थी, बल्कि यह सिद्ध करना था कि प्रकाश को पढ़ने के दो अलग-अलग तरीके—एक जो परमाणुओं के कंपन पर आधारित है और दूसरा जो सामग्री की चमक पर आधारित है—कैसे पूरे ताप स्पेक्ट्रम को कवर करने के लिए एक साथ काम कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने इस एकल-परत सामग्री के दो नमूने तैयार करके शुरुआत की। एक को नग्न (bare) छोड़ दिया गया, जो एक विशेष झिल्ली (membrane) पर स्थित था जिसे बिजली से गर्म किया जा सकता था। दूसरे को हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड नामक एक अलग सामग्री की दो परतों के बीच सैंडविच किया गया था, जो एक सुरक्षात्मक ढाल के रूप la काम करती है। उन्होंने इन नमूनों को एक ऐसी मशीन के भीतर रखा जो उन्हें परम शून्य के करीब ठंडा कर सकती थी और फिर उन्हें गर्म भी कर सकती थी, जबकि एक लेजर बीम सतह के एक सूक्ष्म बिंदु पर केंद्रित थी। जैसे-जैसे उन्होंने तापमान बदला, उन्होंने नमूनों से आने वाले प्रकाश को रिकॉर्ड किया। नग्न नमूने के लिए, वे केवल परमाणुओं के कंपन, जिसे रमन स्कैटरिंग (Raman scattering) कहा जाता है, को माप सके, क्योंकि तीव्र लेजर प्रकाश अन्यथा चमकने के लिए आवश्यक नाजुक इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं को बाधित कर देता। संरक्षित नमूने के लिए, ढाल ने इस व्यवधान को रोका, जिससे वे कंपन और चमकते प्रकाश दोनों को एक साथ माप सके।

पहला निष्कर्ष यह था कि नग्न सामग्री में परमाणुओं के कंपन कमरे के तापमान से लेकर 1223 केल्विन तक ऊपर जाने पर एक बिल्कुल सीधी रेखा में बदले। विशेष रूप से, एक विशिष्ट कंपन मोड (vibration mode) की पिच सामग्री के गर्म होने पर लगातार नीचे की ओर खिसकती गई। यह बदलाव एक सुसंगत दर से हुआ, जिससे शोधकर्ताओं को तापमान के लिए एक पैमाने (ruler) के रूप में इसका उपयोग करने की अनुमति मिली। उन्होंने पाया कि संरक्षित सामग्री की तुलना में नग्न सामग्री गर्मी के प्रति थोड़ी अधिक संवेदनशील थी, जो तर्कसंगत है क्योंकि दूसरी नमूने की सुरक्षात्मक परतें परमाणुओं को अपनी जगह पर बनाए रखती हैं, जिससे उन्हें स्वतंत्र रूप से फैलने से रोका जाता है। यह अंतर महत्वपूर्ण था: इसका अर्थ था कि नग्न शीट से लिए गए तापमान रीडिंग को बिना समायोजन के सीधे संरक्षित शीट पर लागू नहीं किया जा सकता था। शोधकर्ताओं ने स्थापित किया कि यह रैखिक संबंध 900 डिग्री से अधिक की सीमा में सत्य रहा, जो इस सामग्री के लिए किसी भी पिछले अध्ययन की तुलना में कहीं अधिक व्यापक है।

अध्ययन का दूसरा भाग चमकते प्रकाश, या फोटोल्यूमिनेसेंस (photoluminescence), पर केंद्रित था, जिसे केवल संरक्षित नमूने में स्पष्ट रूप से देखा जा सकता था। बहुत कम तापमान पर, सामग्री रंगों के एक जटिल मिश्रण के साथ चमकती है, लेकिन जैसे-जैसे यह गर्म होती है, ये रंग प्रकाश की एक एकल, चमकीली रेखा में विलीन हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने इस प्रकाश की सटीक ऊर्जा को ट्रैक किया जैसे-जैसे तापमान 5 केल्विन से 1273 केल्विन तक बढ़ा। उन्होंने पाया कि प्रकाश स्पेक्ट्रम के लाल छोर की ओर एक सुचारू, अनुमानित वक्र (curve) में स्थानांतरित हुआ, जो परमाणुओं के ऊर्जा अंतराल (energy gaps) पर गर्मी के प्रभाव का वर्णन करने वाले एक ज्ञात भौतिक मॉडल से मेल खाता है। इस चमक ने तापमान मापने का एक दूसरा, स्वतंत्र तरीका प्रदान किया। निचले तापमान पर, जहाँ कंपन सटीक रूप से मापने के लिए बहुत सूक्ष्म थे, चमक तीक्ष्ण और सटीक थी। उच्च तापमान पर, चमक व्यापक और सटीक रूप नहीं पाई जा सकती थी, लेकिन यह उनके प्रयोग की ऊपरी सीमा तक मापने योग्य बनी रही।

इन दोनों विधियों को जोड़कर, टीम ने इस सामग्री में गर्मी मापने के लिए एक पूर्ण टूलकिट बनाया। कंपन विधि तब सबसे अच्छा काम करती है जब चीजें गर्म होती हैं, जबकि चमकने वाली विधि ठंडी और मध्यम सीमा के लिए उत्कृष्ट है। दोनों मिलकर 5 से 1273 केल्विन के पूरे विस्तार को कवर करते हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि सुरक्षात्मक परतों ने न केवल उन्हें चमक देखने में मदद की, बल्कि उन्हें उच्च तापमान पर जीवित रहने में भी मदद की। नग्न नमूना 1223 केल्विन के आसपास टूटने लगा और अपना सिग्नल खोने लगा, संभवतः इसलिए क्योंकि सल्फर परमाणु वाष्पित होने लगे थे। हालाँकि, संरक्षित नमूना 1273 केल्विन तक भी बरकरार और मापने योग्य रहा, जिससे पता चलता है कि ढाल ने न केवल डेटा की गुणवत्ता में सुधार किया, बल्कि अत्यधिक गर्मी के तहत सामग्री के जीवन को भी बढ़ा दिया।

यह कार्य महत्वपूर्ण है क्योंकि यह भविष्य के नैनो-उपकरणों के विकास में एक बड़ी बाधा को दूर करता है। इन अत्यंत पतली सामग्रियों के साथ सर्किट डिजाइन करने वाले इंजीनियरों को यह जानने की आवश्यकता होती है कि वे कितनी गर्म हो रही हैं ताकि नुकसान या खराबी को रोका जा सके। इस अध्ययन से पहले, बिना छुए इतनी विस्तृत सीमा तक एकल परत वाली सामग्री के तापमान की जांच करने का कोई विश्वसनीय तरीका नहीं था। अब, वैज्ञानिक बस एक लेजर चमका सकते हैं और परिणाम पढ़ सकते हैं, चाहे वे क्रायोजेनिक लैब में अध्ययन कर रहे हों या उच्च-तापमान वाली भट्टी में। अध्ययन पुष्टि करता है कि ये प्रकाशीय संकेत मजबूत और पूर्वानुमानित हैं, जो एक स्पर्श-मुक्त थर्मामीटर प्रदान करते हैं जो अंतरिक्ष की सबसे ठंडी गहराइयों से लेकर सबसे गर्म औद्योगिक प्रक्रियाओं तक काम करता है। हालांकि 1273 केल्विन की ऊपरी सीमा प्रयोग में उपयोग किए गए उपकरणों द्वारा निर्धारित की गई थी, न कि स्वयं सामग्री द्वारा, परिणाम बताते हैं कि सही सुरक्षा के साथ, ये सामग्रियाँ और भी चरम स्थितियों का सामना कर सकती हैं, जो उच्च-तापमान इलेक्ट्रॉनिक्स और सेंसरों के लिए नए अनुप्रयोगों के द्वार खोलती हैं।