Scalable Synthesis of Er-Yb Co-doped Monolayer WS2 on Sapphire via Halide-Assisted CVD for Advanced Optoelectronics

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हमारे फोन और कंप्यूटर के भीतर के सूक्ष्म सर्किट सिलिकॉन से नहीं, बल्कि ऐसी सामग्री की परतों से बने हों जो इतनी पतली हैं कि वे केवल एक परमाणु जितनी मोटी हैं। ये अति-पतली परतें, जिन्हें द्वि-आयामी (two-dimensional) सामग्रियां कहा जाता है, तेज़, अधिक लचीले और अधिक कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स का वादा करती हैं। इनमें से, टंगस्टन डाइसल्फाइड नामक एक पदार्थ ने वैज्ञानिकों का ध्यान खींचा है क्योंकि यह प्रकाश के साथ असाधारण रूप से अच्छी तरह से परस्पर क्रिया करता है, जो इसे प्रकाश का पता लगाने वाले उपकरणों, जैसे कि कैमरों के सेंसर या भविष्य के रोबोटों की आँखों के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार बनाता है। हालाँकि, इसमें एक पेंच है। जब शोधकर्ता इन परतों को बड़े क्षेत्रों में उगाने की कोशिश करते हैं, तो सामग्री अक्सर छोटे-छोटे गायब हिस्सों के साथ आती है, जैसे कि अंतराल वाली एक मोज़ेक। ये अंतराल ऐसे जाल के रूप में कार्य करते हैं जो प्रकाश की ऊर्जा को निगल लेते हैं इससे पहले कि उसका उपयोग किया जा सके, जिससे परिणामी उपकरण मंद और सुस्त हो जाते हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक लंबे समय से तत्वों के एक अलग परिवार, दुर्लभ मृदा तत्वों (rare earths) की ओर देख रहे हैं, जो प्रकाश को नियंत्रित करने की अपनी अनूठी क्षमता के लिए जाने जाते हैं। चुनौती इन दुर्लभ मृदा तत्वों को सामग्री की नाजुक संरचना को खराब किए बिना, इन पतली परतों में समान रूप से और बड़ी मात्रा में मिलाने का तरीका खोजने की रही है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस पहेली को सुलझाने का एक तरीका खोज लिया है, जिसमें इस प्रकाश-संवेदनशील सामग्री की बड़ी, उच्च-गुणवत्ता वाली परतों को एक कठोर, नीले नीलम (blue sapphire) की सतह पर उगाया गया है, जो घड़ी के फेस में उपयोग की जाने वाली सामग्री के समान है। उन्होंने एक ऐसी प्रक्रिया का उपयोग किया जिसमें रसायनों को एक ट्यूब में तब तक गर्म किया जाता है जब तक कि वे गैस में न बदल जाएं और फिर सतह पर जमने के बाद एक क्रिस्टल बना सकें। इसे बड़े पैमाने पर सफल बनाने के लिए, उन्होंने मिश्रण में एक सामान्य नमक, सोडियम क्लोराइड, की एक छोटी मात्रा मिलाई। इस नमक ने एक सहायक के रूप में कार्य किया, जिसने प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक तापमान को कम कर दिया और गैस के अणुओं को एक निरंतर, एकसमान शीट बनाने के लिए सतह पर सुचारू रूप से घूमने में मदद की, न कि बिखरे हुए द्वीपों के रूप में। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने मिश्रण में दो विशिष्ट दुर्लभ मृदा तत्वों, एर्बियम और यिट्रियम को भी शामिल किया। ये तत्व केवल सामग्री के ऊपर नहीं बैठे; वे उन खाली स्थानों में फिसल गए जहाँ परमाणु गायब थे, प्रभावी रूप से उन छेदों को भर दिया जो ऊर्जा के नुकसान का कारण बन रहे थे।

इस दृष्टिकोण के परिणाम आश्चर्यजनक थे। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि दुर्लभ मृदा परमाणुओं ने सफलतापूर्वक क्रिस्टल संरचना के भीतर गायब टंगस्टन परमाणुओं का स्थान ले लिया था। इस प्रतिस्थापन ने दो महत्वपूर्ण कार्य किए। पहला, इसने उन दोषों को ठीक कर दिया जो पहले ऊर्जा चुरा रहे थे, जिससे प्रकाश पड़ने पर सामग्री बहुत अधिक चमकने लगी। दूसरा, इन नए परमाणुओं की उपस्थिति ने सामग्री के ऊर्जा संभालने के तरीके को बदल दिया, जिससे इसके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश का रंग स्पेक्ट्रम के लाल छोर की ओर थोड़ा झुक गया। जब टीम ने इस बात का परीक्षण करने के लिए सरल उपकरण बनाए कि यह नई सामग्री प्रकाश का पता लगाने में कितनी अच्छी है, तो अंतर स्पष्ट था। इस पैच किए गए, दुर्लभ मृदा-युक्त परतों से बने उपकरण मानक, बिना संशोधित सामग्री की तुलना में काफी अधिक संवेदनशील थे। वे प्रकाश का पता लगाने की दक्षता के स्तर के साथ काम कर सकते थे जो सामान्य से तीन गुना अधिक बेहतर था, जिससे आने वाले प्रकाश का एक बड़ा हिस्सा विद्युत संकेत में बदल गया।

यह सुधार केवल सामग्री को थोड़ा बेहतर बनाने का मामला नहीं था; यह इस सामग्री के प्रदर्शन में एक मौलिक बदलाव का प्रतिनिधित्व था। उपकरणों ने प्रकाश संवेदनशीलता का एक ऐसा माप प्राप्त किया जो उन पर पड़ने वाले प्रकाश की मात्रा से लगभग दस गुना अधिक था, जो इस प्रकार की तकनीक के लिए असाधारण रूप से उच्च है। इसके अलावा, जिस दक्षता के साथ उपकरण ने प्रकाश को बिजली में परिवर्तित किया, वह लगभग दो हजार प्रतिशत तक पहुँच गई, एक ऐसा अंक जो बताता है कि सामग्री केवल प्रकाश का पता नहीं लगा रही थी बल्कि प्राप्त संकेत को बढ़ा (amplify) भी रही थी। शोधकर्ताओं ने देखा कि यह उछाल दुर्लभ मृदा परमाणुओं के 'स्टेपिंग स्टोन्स' (सीढ़ी के पायदानों) के रूप में कार्य करने से आया, जिससे सामग्री को प्रकाश के एक एकल विस्फोट से कई विद्युत आवेश उत्पन्न करने की अनुमति मिली। इस सामग्री को उगाने के लिए एक स्केलेबल विधि को सटीक रूप से दोषों को ठीक करने के तरीके के साथ जोड़कर, टीम ने उच्च-प्रदर्शन वाले प्रकाश सेंसर के निर्माण की दिशा में एक मार्ग प्रदर्शित किया है जिन्हें बड़ी मात्रा में उत्पादित किया जा सकता है। यह कार्य बताता है कि इन पतली परतों की परमाणु संरचना को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, हम उन सीमाओं को दूर कर सकते हैं जिन्होंने उनके वास्तविक दुनिया के इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग को रोक रखा है, जो उन्नत ऑप्टिकल उपकरणों की एक नई पीढ़ी का मार्ग प्रशस्त करता है।