Influence of annealing temperature on the structural, morphological and optical properties of sol–gel spin-coated NiO thin films on Si and SiO₂ substrates

सिलिकॉन आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स का आधार है, वह सामग्री जो स्मार्टफोन से लेकर सौर पैनलों तक सब कुछ संचालित करती है। फिर भी, इन उपकरणों को कुशलतापूर्वक कार्य करने के लिए, इंजीनियरों को अक्सर सिलिकॉन को अन्य सामग्रियों के साथ जोड़ना पड़ता है जो बिजली के प्रवाह को विशिष्ट तरीकों से प्रबंधित कर सकें। ऐसी ही एक सामग्री निकल ऑक्साइड है, जो एक सिरेमिक जैसी पदार्थ है जो स्वाभाविक रूप से एक विशेष दिशा में बिजली का संचालन करती है, जिसे p-प्रकार की चालकता (p-type conductivity) कहा जाता है। यह गुण इसे उन्नत सेंसर, सौर सेल और मेमोरी डिवाइस बनाने के लिए सिलिकॉन का एक मूल्यवान साथी बनाता है। हालाँकि, निकल ऑक्साइड के लिए इन भूमिकाओं में अच्छी तरह से काम करने के लिए, इसे एक पतली, एकसमान फिल्म के रूप में एक अत्यधिक व्यवस्थित आंतरिक संरचना के साथ विकसित किया जाना चाहिए। यदि फिल्म में परमाणु बिखरे हुए या तनावग्रस्त हैं, तो सामग्री कम प्रभावी हो जाती है। इन परमाणुओं को व्यवस्थित करने की कुंजी ऊष्मा में निहित है। फिल्म बनाने के बाद उसे गर्म करके, वैज्ञानिक इन सूक्ष्म क्रिस्टलों को बड़ा होने और अधिक पूर्ण व्यवस्था में बसने के लिए प्रोत्साहित कर सकते हैं, लेकिन फिल्म को नुकसान पहुँचाए बिना इस सटीक तापमान को खोजना एक नाजुक संतुलन का काम है।

हाल ही के एक अध्ययन में, नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ उज्बेकिस्तान के शोधकर्ताओं ने इस पूर्ण संतुलन को खोजने का प्रयास किया। उन्होंने दो अलग-अलग प्रकार के सिलिकॉन-आधारित सतहों पर निकल ऑक्साइड की पतली फिल्में बनाईं: एक जो शुद्ध सिलिकॉन से बनी थी और दूसरी जिसे सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक परत से ढका गया था, जो एक सामान्य इन्सुलेटिंग सामग्री है। 'सोल-जेल स्पिन कोटिंग' नामक तकनीक का उपयोग करके, जिसमें तरल रासायनिक मिश्रण को सतह पर समान रूप से फैलाने के लिए घुमाया जाता है, उन्होंने परतों को एक-एक करके बनाया। एक बार जब फिल्में अपनी जगह पर आ गईं, तो उन्होंने उन्हें तीन अलग-अलग तापमानों: 400, 500 और 600 डिग्री सेल्सियस पर ऊष्मा उपचार, या एनीलिंग (annealing) के अधीन किया। लक्ष्य यह देखना था कि ऊष्मा बढ़ने के साथ फिल्म की आंतरिक संरचना और प्रकाश के साथ इसके संपर्क के तरीके में क्या बदलाव आता है, जिससे भविष्य के उपकरणों के लिए उच्चतम गुणवत्ता वाली सामग्री का निर्धारण किया जा सके।

शोधकर्ताओं ने परमाणुओं की व्यवस्था और सतह के आकार को देख सकने वाले शक्तिशाली उपकरणों का उपयोग करके फिल्मों का परीक्षण किया। 400 डिग्री सेल्सियस के सबसे निचले तापमान पर, फिल्में अभी भी काफी अव्यवस्थित थीं, जो अत्यंत छोटे क्रिस्टल समूहों से बनी थीं जो उपकरणों के लिए मुश्किल से दृश्यमान थे। जैसे ही तापमान बढ़कर 500 डिग्री हुआ, ये क्लस्टर आपस में मिलने और बढ़ने लगे। जब तक फिल्में 600 डिग्री तक पहुँचीं, तब तक परिवर्तन पूरा हो चुका था। सूक्ष्म क्रिस्टल काफी बढ़ गए थे, लगभग 10 से 11 नैनोमीटर की सीमा तक पहुँच गए थे, और आंतरिक तनाव जिसने परमाणुओं को संरेखण से बाहर धकेला था, वह भी कम हो गया था। फिल्में घनी और दरार मुक्त हो गईं, जिनका सतही भाग महीन, गोल कणों से बना था। यह स्तर का क्रम केवल एक दृश्य सुधार नहीं था; इसका अर्थ था कि सामग्री संरचनात्मक रूप से प्रकृति में पाए जाने वाले निकल ऑक्साइड के एक पूर्ण, ठोस ब्लॉक के बहुत करीब थी।

इस संरचनात्मक सुधार का प्रकाश के साथ व्यवहार करने के तरीके पर सीधा और मापने योग्य प्रभाव पड़ा। शोधकर्ताओं ने ऊर्जा अंतराल (energy gap) को मापा, जो वह विशिष्ट ऊर्जा है जो सामग्री के लिए प्रकाश को अवशोषित करने और बिजली का संचालन करने के लिए आवश्यक होती है। शुद्ध सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स पर, ऊर्जा अंतराल तापमान बढ़ने के साथ लगातार बढ़ता गया, जो 400 डिग्री पर 3.42 इलेक्ट्रॉन वोल्ट से बढ़कर 600 डिग्री पर 3.55 इलेक्ट्रॉन वोल्ट हो गया। सिलिकॉन डाइऑक्साइड सबस्ट्रेट्स पर, ऊर्जा अंतराल लगातार उच्च बना रहा, जो 3.63 और 3.66 इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बीच रहा। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि अध्ययन ने "विकार ऊर्जा" (disorder energy) को देखा, जो इस बात का माप है कि परमाणु संरचना कितनी अस्त-व्यस्त है। कम तापमान पर, यह विकार उच्च था, लेकिन 600 डिग्री पर, दोनों प्रकार के सबस्ट्रेट्स पर यह काफी कम हो गया। इस गिरावट ने पुष्टि की कि ऊष्मा ने सफलतापूर्वक उन दोषों और अनियमितताओं को दूर कर दिया था जो सामग्री के प्रदर्शन में बाधा डाल रहे थे।

अध्ययन ने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज कर दिया कि प्रकाश अवशोषण में परिवर्तन क्रिस्टल के सूक्ष्म आकार के कारण हुए थे, जिसे क्वांटм कन्फाइनमेंट (quantum confinement) नामक घटना कहा जाता है। यदि ऐसा होता, तो क्रिस्टल के बढ़ने के साथ ऊर्जा अंतराल का व्यवहार अलग होता। इसके बजाय, डेटा ने दिखाया कि परिवर्तन क्रिस्टल लैटिस के उपचार और दोषों को हटाने से प्रेरित थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रक्रिया के लिए 600 डिग्री सेल्सियस सेल्सियस इष्टतम तापमान था। इस ऊष्मा पर, फिल्मों ने अपने सबसे बड़े क्रिस्टल आकार, सबसे कम आंतरिक तनाव और सबसे स्वच्छ परमाणु व्यवस्था प्राप्त की। हालांकि दो अलग-अलग सबस्ट्रेट्स पर बनी फिल्मों ने अपने सटीक ऊर्जा मानों में मामूली अंतर दिखाया, लेकिन दोनों ने इसी तापमान पर अपने शिखर गुणवत्ता को प्राप्त किया।

अंततः, यह कार्य सिलिकॉन तकनीक के साथ उपयोग के लिए उच्च-गुणवत्ता वाली निकल ऑक्साइड फिल्मों के निर्माण के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। ऊष्मा उपचार को सीधे 600 डिग्री सेल्सियस सेल्सियस पर समायोजित करके, निर्माता घनी, दरार-मुक्त और अत्यधिक व्यवस्थित फिल्में बना सकते हैं। ये फिल्में अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक घटकों में एकीकृत होने के लिए तैयार हैं, जहाँ उनकी बेहतर संरचना उन्हें अधिक कुशलता से कार्य करने की अनुमति देगी। निष्कर्ष बताते हैं कि यदि कोई भी उपकरण बनाना चाहता है जो सिलिकॉन के साथ निकल ऑक्साइड को जोड़ता है, तो उसे सही स्थितियों का अनुमान लगाने की आवश्यकता नहीं है; सर्वोत्तम सामग्री का मार्ग सीधा है और उस विशिष्ट, उच्च तापमान तक पहुँचने में निहित है।