Photonic and Electronic Interaction of TMD-Hybridized ZnO Nanowire Lasers
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ZnO नैनोवायर लेज़रों को ट्रांज़िशन मेटल डाइकैल्कोजेनाइड्स (TMDs) के साथ संकरित करने से TMDs द्वारा इवेनेसेंट फील्ड अवशोषण और नैनोवायर से TMDs में होल ट्रांसफर के दोहरे तंत्र के माध्यम से लेज़िंग का दमन होता है, जिसमें दमन की सीमा TMD की परत की मोटाई और इंटरफेशियल इलेक्ट्रॉनिक अलाइनमेंट पर निर्भर करती है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हमारे कंप्यूटरों को शक्ति देने वाले नन्हे ट्रांजिस्टर एक-दूसरे के इतने करीब आ जाते हैं कि वे बिजली लीक करने लगते हैं, जिससे इतनी गर्मी पैदा होती है जो सर्किट को पिघलाने का खतरा पैदा कर देती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक प्रकाश की ओर देख रहे हैं। सूचना ले जाने के लिए इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करने के बजाय, वे फोटॉन का उपयोग करने की आशा करते हैं, जो तेज़ गति से चल सकते हैं और बहुत कम गर्मी पैदा करते हैं। इन भविष्य के प्रकाश-आधारित कंप्यूटरों को बनाने की कुंजी सीधे एक कंप्यूटर चिप पर छोटे, कुशल लेजर बनाने का तरीका खोजना है। इन सूक्ष्म प्रकाश स्रोतों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार सेमीकंडक्टर नैनोवायर (semiconductor nanowire) है, जो सामग्री का एक ऐसा धागा है जो इतना पतला है कि इसे नैनोमीटर में मापा जाता है। ये तार स्वाभाविक रूप से प्रकाश को पकड़ सकते हैं और उसे प्रवर्धित (amplify) कर सकते हैं, जिससे वे जटिल बाहरी दर्पणों की आवश्यकता के बिना एक लेजर के रूप में कार्य करते हैं। हालाँकि, एक वास्तविक कंप्यूटर में उपयोगी होने के लिए, इन तारों को अन्य सामग्रियों के साथ एकीकृत किया जाना चाहिए, और उन्हें आपस में जोड़ने की यह प्रक्रिया अक्सर उनके व्यवहार को अप्रत्याशित तरीकों से बदल देती है।
शोधकर्ताओं की एक टीम यह समझने के लिए आगे बढ़ी कि जब एक जिंक ऑक्साइड नैनोवायर लेजर को ट्रांजिशन मेटल डाइकैल्कोजेनाइड्स (transition metal dichalcogenides) नामक विशेष वर्ग की अति-पतली सामग्रियों के संपर्क में लाया जाता है, तो वास्तव में क्या होता है। इन सामग्रियों में टंगस्टन डाइसल्फाइड और मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड जैसे यौगिक शामिल हैं, जो केवल परमाणुओं की एक एकल परत जितने मोटे होते हैं और उनके पास अद्वितीय गुण होते हैं जो उन्हें इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आकर्षक बनाते हैं। वैज्ञानिकों ने यह जानना चाहा कि क्या इन परमाणु परतों को एक लेजर तार के बगल में रखने से इसके प्रदर्शन में मदद मिलेगी या नुकसान होगा। यह पता लगाने के लिए, उन्होंने एक सटीक रोबोटिक आर्म का उपयोग करके व्यक्तिगत जिंक ऑक्साइड नैनोवायर्स को उठाया और उन्हें इन सामग्रियों की शीटों पर धीरे से रखा, जिससे एक हाइब्रिड संरचना बनी जहाँ तार सीधे शीट के ऊपर स्थित था। फिर उन्होंने परीक्षण किया कि तार विभिन्न स्थितियों के तहत कितनी अच्छी तरह लेजर प्रकाश उत्पन्न कर सकता है।
परिणामों ने लेजर को दबाने के लिए मिलकर काम करने वाली दो अलग-अलग शक्तियों की एक जटिल कहानी का खुलासा किया। जब शोधकर्ताओं ने तार पर सामग्री की एक एकल परमाणु परत रखी, तो लेजर अभी भी काम कर रहा था, लेकिन इसे चमकने के लिए काफी अधिक ऊर्जा की आवश्यकता थी, और प्रकाश का रंग स्पेक्ट्रम के नीले छोर की ओर थोड़ा बदल गया। जैसे-जैसे उन्होंने सामग्री की मोटाई को एक परत से बढ़ाकर दो, तीन और अंततः एक बल्क स्टैक (bulk stack) तक बढ़ाया, लेजर उत्सर्जन पूरी तरह से समाप्त हो गया। तार चमकता तो था, लेकिन वह कभी भी एक वास्तविक लेजर की तीव्र, केंद्रित बीम तक नहीं पहुँच पाता था। टीम ने पाया कि यह विफलता दो अलग-अलग तंत्रों के तालमेल के कारण हुई थी।
पहला तंत्र विशुद्ध रूप से ऑप्टिकल (प्रकाशिक) था। लेजर प्रकाश पूरी तरह से तार के अंदर नहीं रहता है; इसकी ऊर्जा का एक हिस्सा, जिसे इवेनेसेंट फील्ड (evanescent field) कहा जाता है, तार के आसपास के स्थान में बाहर निकल आता है। जब परमाणु परत वहां रखी जाती है, तो वह एक स्पंज की तरह कार्य करती है, जो इस बिखरे हुए प्रकाश को सोख लेती है। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके दिखाया कि सामग्री इस ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा अवशोषित करती है, जो प्रभावी रूप से उस ईंधन को चुरा लेती है जिसकी लेजर को कार्य करने के लिए आवश्यकता होती है। यह अवशोषण इतना मजबूत है कि जैसे-जैसे सामग्री मोटी होती जाती है, यह पर्याप्त प्रकाश अवशोषित कर लेती है जो लेजर को पूरी तरह से खत्म कर देता है। इसने यह भी समझाया कि रंग क्यों बदला; सामग्री ने कुछ रंगों को अन्य की तुलना में अधिक अवशोषित किया, जिससे कम ऊर्जा वाले रंग निकल गए और केवल उच्च ऊर्जा वाला नीला प्रकाश ही बचा।
दूसरा तंत्र इलेक्ट्रॉनिक था, जिसमें विद्युत आवेशों की गति शामिल थी। एक लेजर के भीतर, प्रकाश तब बनता है जब इलेक्ट्रॉन और उनके सकारात्मक समकक्ष, जिन्हें होल (holes) कहा जाता है, मिलते हैं और ऊर्जा मुक्त करते हैं। लेजर के काम करने के लिए, इन आवेशों को तार के भीतर ही रहना चाहिए। शोधकर्ताओं ने तार के मिलन स्थल (interface) का परीक्षण करने के लिए उन्नत सैद्धांतिक गणनाओं का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि इस सीमा पर ऊर्जा स्तर ऐसी स्थिति पैदा करते हैं जहाँ होल स्वाभाविक रूप से तार से बाहर निकलकर परमाणु शीट की ओर खिंचे चले जाते हैं। एक बार जब ये होल तार से बाहर निकल जाते हैं, तो वे प्रकाश बनाने में मदद नहीं कर पाते, और लेजर काम करना बंद कर देता है। यह दोनों ही स्थितियों में होता है कि इंटरफ़ेस पूरी तरह से साफ है या हवा के संपर्क में है, हालांकि इलेक्ट्रॉनों का व्यवहार स्थितियों के आधार पर थोड़ा बदल जाता है। दोनों ही परिदृश्यों में, तार से होल का नुकसान लेजर प्रक्रिया के लिए घातक है।
अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि यदि इन नैनोवायर लेजरों को टू-डायमेंशनल (two-dimensional) सामग्रियों के साथ सफलतापूर्वक एकीकृत किया जाना है, तो इंजीनियरों को ऑप्टिकल अवशोषण और इलेक्ट्रॉनिक रिसाव (leakage) दोनों को ध्यान में रखना होगा। परमाणु परतें केवल तार के बगल में निष्क्रिय रूप से नहीं रहतीं; वे सक्रिय रूप से ऊर्जा को सोखती हैं और लेजिंग (lasing) के लिए आवश्यक कणों को चुराती हैं। हालांकि यह विशिष्ट सामग्री संयोजन लेजर बनाए रखने के लिए बहुत अधिक हानिपूर्ण (lossy) साबित हुआ, लेकिन इन निष्कर्षों ने भविष्य के डिजाइनों के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान किया है। यह समझकर कि ये सामग्रियां वास्तव में कैसे परस्पर क्रिया करती हैं, वैज्ञानिक अब विभिन्न संयोजनों को चुन सकते हैं या सतहों को इंजीनियर कर सकते हैं ताकि इस ऊर्जा क्षय को रोका जा सके, जिससे कंप्यूटर चिप्स पर अगली पीढ़ी के कॉम्पैक्ट, कुशल प्रकाश स्रोतों का मार्ग प्रशस्त हो सके।
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