Vertically aligned large area CVD grown MoS2 nanoflakes based heterojunction for UV-Vis range photodetection: An electrical study

आधुनिक तकनीक काफी हद तक उन उपकरणों पर निर्भर करती है जो प्रकाश को देख सकते हैं और उसे बिजली में बदल सकते हैं। ये घटक, जिन्हें फोटोडिटेक्टर कहा जाता है, हमारी डिजिटल दुनिया की आँखें हैं, जो हमारे स्मार्टफोन के कैमरों से लेकर पर्यावरणीय परिवर्तनों की निगरानी करने वाले सेंसरों और चिकित्सा इमेजिंग में उपयोग किए जाने वाले उपकरणों तक सब कुछ सक्षम बनाते हैं। इन उपकरणों को बेहतर, तेज़ और अधिक संवेदनशील बनाने के लिए, वैज्ञानिक लगातार ऐसे नए पदार्थों की खोज कर रहे हैं जो पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन की तुलना में प्रकाश के साथ अधिक कुशलता से परस्पर क्रिया कर सकें। एक आशाजनक उम्मीदवार मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड नामक एक पदार्थ है, जो परमाणुओं की अत्यंत पतली परतों से बना है। हालांकि इस पदार्थ की एक एकल परत केवल कुछ परमाणुओं जितनी मोटी होती है, इसमें ऐसे अद्वितीय गुण हैं जो इसे प्रकाश को अवशोषित करने और विद्युत आवेशों को बहुत तेज़ी से चलाने की अनुमति देते हैं। हालांकि, इन सामग्रियों को इस तरह से उगाना जो उपयोगी रूप से पर्याप्त बड़े हों और उच्च प्रदर्शन के लिए सही ढंग से संरचित हों, एक निरंतर चुनौती रही है।

एक हालिया अध्ययन में, जेपीआईआईटी (Jaypee Institute of Information Technology) के शोधकर्ताओं ने ऊर्ध्वाधर रूप से खड़े मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड फ्लेक्स (flakes) की एक बड़ी शीट का उपयोग करके एक नए प्रकार का लाइट सेंसर बनाकर इस चुनौती का समाधान किया। सामग्री को पैनकेक की तरह सपाट बिछाने के बजाय, टीम ने केमिकल वेपर डिपोजिशन (chemical vapor deposition) नामक प्रक्रिया का उपयोग करके सामग्री को इस तरह उगाया कि वे सूक्ष्म ब्लेडों के एक घने जंगल की तरह अपने किनारों पर खड़े हो गए। इसके बाद उन्होंने एक सिलिकॉन आधार पर इस ऊर्ध्वाधर जंगल के ऊपर एल्युमीनियम धातु की एक परत रखकर एक उपकरण बनाया। इस सेटअप ने एक जंक्शन बनाया जहाँ विभिन्न सामग्रियाँ आपस में मिलती हैं, जिससे प्रकाश पड़ने पर बिजली बहने के लिए एक मार्ग बनता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या यह विशिष्ट, सीधी संरचना सपाट संस्करणों की तुलना में प्रकाश का पता लगाने में बेहतर है, विशेष रूप से पराबैंगनी (ultraviolet) और दृश्य प्रकाश (visible light) के तहत।

उन्होंने जो बनाया था उसे समझने के लिए, टीम ने सबसे पहले शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और लेजर-आधारित उपकरणों के तहत सामग्री का निरीक्षण किया। छवियों ने खुलासा किया कि फ्लेक्स वास्तव में सीधे खड़े थे, जिनकी लंबाई 220 से 240 नैनोमीटर के बीच थी और उनके सिरे अविश्वसनीय रूप से नुकीले थे जो केवल 10 से 20 नैनोमीटर चौड़े थे। लेजर विश्लेषण ने पुष्टि की कि सामग्री अत्यधिक क्रिस्टलीय थी, जिसका अर्थ है कि परमाणु एक बहुत ही व्यवस्थित और मजबूत पैटर्न में व्यवस्थित थे, जो ऊर्जा खोए बिना बिजली को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन फ्लेक्स के तीखे, सीधे किनारे महत्वपूर्ण थे क्योंकि वे सक्रिय साइटों की एक बड़ी संख्या को उजागर करते थे जहाँ प्रकाश को अवशोषित किया जा सकता है और जहाँ विद्युत आवेशों को कुशलतापूर्वक उत्पन्न और एकत्र किया जा सकता है।

जब टीम ने बिजली के साथ उपकरण के व्यवहार का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि धातु और अर्धचालक (semiconductor) के बीच का संबंध सुचारू और कुशल था, जिससे आवेश आसानी से बह सके और कहीं अटक न जाए। इसके बाद उन्होंने उपकरण पर विभिन्न प्रकार के प्रकाश डालकर देखा कि वह कैसी प्रतिक्रिया देता है। अंधेरे में, उपकरण में विद्युत चालकता (conductance) का एक आधारभूत स्तर था। जब उन्होंने दृश्य प्रकाश स्रोत चालू किया, तो चालकता लगभग 2.8 प्रतिशत की मामूली वृद्धि के साथ बढ़ी। हालाँकि, जब उन्होंने पराबैंगनी प्रकाश का उपयोग किया, जिसमें अधिक ऊर्जा होती है, तो चालकता लगभग 15 प्रतिशत तक बढ़ गई। यह पराबैंगनी प्रकाश के तहत महत्वपूर्ण उछाल यह सुझाव देता है कि उपकरण इस स्पेक्ट्रम के इस हिस्से को पहचानने में विशेष रूप से अच्छा है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि उपकरण आने वाले पराबैंगनी प्रकाश को एक उच्च स्तर की दक्षता के साथ विद्युत संकेत में बदल सकता है, जो 320 मिलीएम्पियर प्रति वाट प्रकाश शक्ति का करंट उत्पन्न करता है, जो अन्य अध्ययनों में रिपोर्ट किए गए कई समान उपकरणों से बेहतर है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि विभिन्न विद्युत स्थितियों और आवृत्तियों के तहत उपकरण कैसे व्यवहार करता है। उपकरण द्वारा विद्युत आवेश को संग्रहीत करने और छोड़ने को मापकर, टीम ने पाया कि मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड और सिलिकॉन के बीच के इंटरफेस में कुछ खामियां मौजूद थीं, जिन्हें 'ट्रैप स्टेट्स' (trap states) कहा जाता है, जो इलेक्ट्रॉनों को पकड़ सकते हैं और छोड़ सकते हैं। इन ट्रैप्स ने अलग-अलग माप की गति पर प्रकाश और बिजली के प्रति उपकरण की प्रतिक्रिया को प्रभावित किया। इन खामियों के बावजूद, सामग्री की ऊर्ध्वाधर संरचना ने आवेशों को उपकरण के नीचे से ऊपर तक तेज़ी से बढ़ने में मदद की, जिससे उनके खो जाने या पता लगाने से पहले पुनर्संयोजन (recombine) होने की संभावना कम हो गई। उपकरण का अंतर्निहित विद्युत विभव (electrical potential) प्रकाश के संपर्क में आने पर थोड़ा बदल गया, जो यह दर्शाता है कि आने वाले फोटॉन सक्रिय रूप से आंतरिक विद्युत क्षेत्र को बदल रहे हैं ताकि आवेशों को अलग किया जा सके।

अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड को एक ऊर्ध्वाधर, किनारे-समृद्ध अभिविन्यास (orientation) में उगाना प्रकाश का पता लगाने के लिए एक अत्यधिक प्रभावी मंच बनाता है। फ्लेक्स के नुकीले सिरे और उनके द्वारा प्रदान किए गए इलेक्ट्रॉनों के सीधे मार्ग उपकरण को पराबैंगनी विकिरण के प्रति मजबूती से प्रतिक्रिया करने की अनुमति देते हैं, जबकि दृश्य प्रकाश के तहत भी अच्छा प्रदर्शन बनाए रखते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि इन सामग्रियों को उगाने के तरीके को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वैज्ञानिक ऐसे फोटोडिटेक्टर बना सकते हैं जो न केवल संवेदनशील हैं बल्कि प्रकाश की एक विस्तृत श्रृंखला की स्थितियों में कुशलतापूर्वक काम करने में भी सक्षम हैं। यह दृष्टिकोण उन्नत ऑप्टिकल सिस्टम में उपयोग के लिए अधिक उत्तरदायी और विश्वसनीय सेंसर विकसित करने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।