Chemical Bonding Elucidation of Graphene Films Synthesized by Low Temperature CVD-Growth
यह अध्ययन कॉपर फॉयल पर क्लोरोबेंजीन/PMMA कार्बन स्रोत का उपयोग करके लो-टेम्परेचर CVD के माध्यम से संश्लेषित मल्टी-लेयर्ड ग्रेफीन फिल्मों की रासायनिक बॉन्डिंग और इलेक्ट्रॉनिक संरचना को स्पष्ट करता है, जिसमें sp²/sp³ कार्बन विन्यास की पुष्टि करने और अवशिष्ट ऑक्सीजन अशुद्धियों की पहचान करने के लिए रमन, XPS और NEXAFS स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से सामग्री का लक्षण वर्णन किया गया है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक नन्हा वास्तुकार (architect) हैं जो ब्रह्मांड की सबसे मजबूत, सबसे पतली और सबसे जादुई सामग्री की एक शीट बनाने की कोशिश कर रहा है। इस सामग्री को ग्राफीन कहा जाता है, और यह कार्बन परमाणुओं से बनी है जो एक सटीक हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते जैसे) पैटर्न में व्यवस्थित हैं, जैसे कि एक सूक्ष्म चिकन वायर वाली बाड़। यह इतनी हल्की और मजबूत है कि वैज्ञानिक इसका उपयोग तेज़ कंप्यूटर, लचीली स्क्रीन और सुपर-कुशल सौर पैनल बनाने के लिए करने का सपना देखते हैं। लेकिन ग्राफीन बनाना कठिन है। आमतौर पर, आपको सामग्रियों को ज्वालामुखी से भी अधिक गर्म तापमान (लगभग 1000°C) पर पकाने की आवश्यकता होती है ताकि कार्बन परमाणु सही ढंग से आपस में जुड़ सकें। यह महंगा है और नाजुक सामग्रियों पर करना कठिन है।
यह शोध पत्र "केमिकल वेपर डिपोजिशन" (CVD) नामक विज्ञान के एक कोने में गहराई से उतरता है। CVD को एक हाई-टेक ओवन की तरह समझें जहाँ आप एक धातु की प्लेट पर एक गैस या तरल का छिड़काव करते हैं, और उस स्प्रे में मौजूद परमाणु प्लेट पर चिपक जाते हैं ताकि एक नई परत बन सके। मुख्य सवाल यह है: क्या हम बहुत कम तापमान पर, जैसे कि एक तेज़ आग के बजाय धीमी आंच पर, ग्राफीन बना सकते हैं? इसे करने के लिए, शोधकर्ता अपने "प्रिकर्सर" (precursors)—यानी शुरुआती सामग्रियों—के साथ प्रयोग कर रहे हैं। साधारण गैसों जैसे मीथेन के बजाय, वे एक तरल विलायक (क्लोरोबेंजीन) को एक प्लास्टिक जैसे पॉलीमर (PMMA) के साथ मिला रहे हैं। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे केवल आटे और पानी के बजाय एक जटिल बैटर (घोल) का उपयोग करके एक आदर्श केक बनाने की कोशिश करना। लक्ष्य यह देखना है कि क्या यह अव्यवस्थित, कम-तापमान वाला नुस्खा अभी भी सटीक हनीकॉम्ब संरचना बना सकता है, और यदि हाँ, तो इसे जोड़ने वाला रासायनिक "गोंद" कैसा दिखता है।
लो-टेम्परेचर किचन एक्सपेरिमेंट (कम तापमान वाली रसोई का प्रयोग)
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने निर्णय लिया कि क्या वे तांबे की पन्नी (copper foil) पर PMMA और क्लोरोबेंजीन के एक विशेष तरल मिश्रण का उपयोग करके ग्राफीन उगा सकते हैं, और वह भी पूरे समय ओवन का तापमान 400°C से 700°C के बीच रखते हुए। यह सामान्य 1000°C वाले मानक ग्राफीन व्यंजनों की तुलना में काफी कम है। उन्होंने तांबे की पन्नी को एक साफ स्लेट की तरह माना, उसे रगड़कर साफ किया और जंग या गंदगी को हटाने के लिए पहले उसे 900°C तक गर्म किया, ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि सतह कार्बन परमाणुओं को पकड़ने के लिए तैयार है।
तांबे की तैयारी होने के बाद, उन्होंने अपना विशेष तरल मिश्रण एक स्लाइड पर डाला और कार्बन को छोड़ने के लिए इसे 180°C तक गर्म किया। वह कार्बन वाष्प गर्म तांबे की पन्नी के ऊपर तैरता हुआ गया। टीम ने तांबे के तापमान के साथ प्रयोग किया, इसे 400°C, 500°C, 600°C और 700°C पर टेस्ट किया, यह देखने के लिए कि कौन सी सेटिंग सबसे अच्छा "केक" बनाती है।
उन्हें क्या मिला: गोल्डिलॉक्स ज़ोन (Goldilocks Zone)
परिणाम एक लाइन में रखे ओवनों में से सही जगह खोजने जैसा था। जब उन्होंने 600°C पर ग्राफीन उगाया, तो यह "गोल्डिलॉक्स" तापमान था—न बहुत ठंडा, न बहुत गर्म। इस विशिष्ट तापमान पर, ग्राफीन की परतें सबसे अधिक समान थीं और उनका ढांचा सबसे अच्छा था।
अपने काम की जाँच करने के लिए, उन्होंने रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (Raman spectroscopy) नामक एक उपकरण का उपयोग किया, जो एक विशेष लेजर लाइट को सामग्री पर चमकाने जैसा है ताकि यह देख सके कि वह कैसे कंपन करती है। लेजर ने ग्राफीन की आवाज़ में दो मुख्य "सुर" या पीक्स (peaks) दिखाए: G बैंड और 2D बैंड। इन दो सुरों के अनुपात ने उन्हें बताया कि उनके पास ग्राफीन की कितनी परतें थीं। 600°C पर, अनुपात 0.45 था, जिससे पता चला कि उन्होंने सफलतापूर्वक कुछ उच्च-गुणवत्ता वाली ग्राफीन परतें उगा ली हैं। यदि तापमान बहुत कम (400°C) या बहुत अधिक (700°C) होता, तो सुर बेसुुरे होते, जो यह संकेत देते कि ग्राफीन या तो बहुत मोटा था या दोषों से भरा था।
केमिकल डिटेक्टिव वर्क (रासायनिक जासूसी)
लेकिन शोधकर्ता केवल यह नहीं जानना चाहते थे कि उन्होंने ग्राफीne बनाया है या नहीं; वे यह भी जानना चाहते थे कि परमाणु एक-दूसरे का हाथ कैसे थामे हुए हैं। उन्होंने इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तरों को देखने के लिए एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) नामक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि कार्बन परमाणु ज्यादातर एक सपाट, हनीकॉम्ब शैली (जिसे sp2 कहा जाता है) में बंधे थे, जो ग्राफीन को खास बनाता है। इस बॉन्ड के लिए ऊर्जा स्तर लगभग 284.3 eV था। उन्होंने एक अलग, ऊबड़-खाबड़ आकार (sp3) में थोड़ा सा कार्बन भी देखा जो 284.9 eV पर था, जो इस प्रकार के प्रयोगों के लिए सामान्य है।
उन्होंने यह भी देखा कि ऑक्सीजन दूसरा सबसे आम तत्व था जो आसपास मौजूद था। ऐसा इसलिए नहीं था क्योंकि वे वहां ऑक्सीजन चाहते थे; यह संभवतः इसलिए था क्योंकि वे शुरू करने से पहले तांबे की सतह से हर एक ऑक्सीजन परमाणु को पूरी तरह से नहीं हटा पाए थे। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे बेकिंग से पहले किचन काउंटर को पूरी तरह से साफ करने की कोशिश करना, लेकिन आटे का एक छोटा सा कण अभी भी कोने में चिपका रह जाता है।
इलेक्ट्रॉनिक संरचना की और भी करीब से जांच करने के लिए, उन्होंने नियर-एज एक्स-रे एब्जॉर्प्शन स्पेक्ट्रोस्कोपी (NEXAFS) का उपयोग किया। यह इलेक्ट्रॉन क्लाउड्स का 3D एक्स-रे लेने जैसा है। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे तापमान 400°C से बढ़कर 700°C हुआ, ग्राफीन की "व्यवस्था" (order) में सुधार हुआ। पूर्ण कार्बन-कार्बन बॉन्ड को दर्शाने वाले पीक्स अधिक स्पष्ट और मजबूत होते गए, जबकि दोषों और ऑक्सीजन समूहों को दर्शाने वाले पीक्स कमजोर होते गए। यह सुझाव देता है कि 600°C तक गर्म करने से कार्बन परमाणुओं को एक स्वच्छ, अधिक व्यवस्थित शीट में व्यवस्थित होने में मदद मिली।
अंतिम तस्वीर
जब उन्होंने ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (TEM) के तहत ग्राफीन को देखा, जो एक सुपर-पावरफुल आवर्धक लेंस (magnifying glass) की तरह काम करता है, तो उन्हें प्रसिद्ध हनीकॉम्ब पैटर्न दिखाई दिया। हालाँकि, उन्होंने यह भी देखा कि ग्राफीन एक एकल, विशाल शीट नहीं था। इसके बजाय, यह कई छोटे, षटकोणीय "द्वीपों" (domains) से बना था, जो कुछ अमोर्फस (अव्यवस्थित) कार्बन से घिरे हुए थे। यह एक मोज़ेक फर्श की तरह है जो पूर्ण षटकोणीय टाइलों से बना है, लेकिन उनके बीच के अंतराल को भरने के लिए कुछ ग्राउट और अतिरिक्त मिट्टी भी है।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि PMMA-क्लोरोबेंजीन मिश्रण का उपयोग कम तापमान पर ग्राफीन उगाने का एक व्यवहार्य तरीका है। भले ही ग्राफीन पूरी तांबे की पन्नी पर एक एकल, विशाल परत नहीं थी, लेकिन 600°C की सेटिंग ने सबसे अच्छी गुणवत्ता, सबसे व्यवस्थित संरचना और सबसे कम दोषों के साथ सबसे अच्छा काम किया। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह विधि ग्राफीन बनाने के अधिक टिकाऊ तरीकों के द्वार खोलती है, जिससे संभावित रूप से इसे उन सामग्रियों पर उगाया जा सकता है जो पारंपरिक तरीकों की अत्यधिक गर्मी से पिघल सकती हैं। उन्होंने हर समस्या को हल नहीं किया है—अभी भी कुछ अव्यवस्थित कार्बन और ऑक्सीजन मौजूद है—लेकिन उन्होंने दिखाया है कि एक कम-तापमान वाला नुस्खा वास्तव में एक बहुत ही आशाजनक केक बना सकता है।
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