Self-Sensitized Upconversion Luminescence of Cs2NaErF6 Nanocrystals Toward Highly Responsive Photodetection under 1532 nm Illumination
यह अध्ययन Tm³⁺-डोपेड, CaF₂-शेल-कोटेड Cs₂NaErF₆ नैनोक्रिस्टल का उपयोग करके 4.97 A/W की रिकॉर्ड-तोड़ प्रतिक्रियाशीलता वाले अत्यधिक संवेदनशील 1532-nm फोटोडिटेक्टरों के विकास की रिपोर्ट करता है, जो कम किए गए सांद्रता शमन (concentration quenching) के माध्यम से कुशल स्व-संवेदीकृत अपकन्वर्जन ल्यूमिनेसेंस प्राप्त करते हैं।
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प्रकाश हवा और पानी के माध्यम से इस तरह से यात्रा करता है जिसे हमारी आँखें नहीं देख सकतीं, जो निकट-अवरक्त (नियर-इन्फ्रारेड) नामक अदृश्य स्पेक्ट्रम में विशाल मात्रा में जानकारी ले जाता है। इस छिपे हुए स्पेक्ट्रम के भीतर, 1532 नैनोमीटर पर प्रकाश की एक विशिष्ट बैंड विशेष रूप से मूल्यवान है क्योंकि यह लगभग बिना किसी नुकसान के ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से चलता है, जो इसे वैश्विक इंटरनेट संचार के लिए मानक भाषा बनाता है। इन संकेतों को पकड़ने के लिए, इंजीनियर लंबे समय से जटिल अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) उपकरणों पर निर्भर रहे हैं, जिन्हें महंगे निर्माण की आवश्यकता होती है और जिन्हें ठीक से काम करने के लिए अक्सर ठंडा रखने की आवश्यकता होती है। वैज्ञानिक एक सरल, सस्ते विकल्प की तलाश कर रहे थे जो कमरे के तापमान पर काम कर सके, और एक आशाजनक मार्ग में ऐसे छोटे क्रिस्टल का उपयोग करना शामिल है जो इस कम-ऊर्जा वाले अवरक्त प्रकाश को अवशोषित कर सकते हैं और इसे दृश्य प्रकाश में परिवर्तित कर सकते हैं जिसे मानक सेंसर आसानी से पहचान सकते हैं। इस प्रक्रिया को 'अपकन्वर्जन' कहा जाता है, जो एक अनुवादक की तरह है जो एक फुसफुसाहट को चिल्लाहट में बदल देता है, लेकिन दशकों से, 1532-nm बैंड के लिए यह करने में सक्षम क्रिस्टल अपने आप में बहुत मंद रहे हैं।
फूजीयान इंस्टीट्यूट ऑफ रिसर्च ऑन द स्ट्रक्चर ऑफ मैटर के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए प्रकार का क्रिस्टल बनाया है जो इस मंदता की समस्या को हल करता है, जिससे कमरे के तापमान पर काम करने वाले अत्यधिक संवेदनशील डिटेक्टरों का मार्ग प्रशस्त होता है। उन्होंने सीज़ियम, सोडियम और एर्बियम से बने एक विशिष्ट क्रिस्टल संरचना को डिजाइन करके शुरुआत की, जहाँ एर्बियम एक दुर्लभ पृथ्वी तत्व है जो अवरक्त प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है। कई पारंपरिक क्रिस्टल में, जब आप इन प्रकाश-तलाशने वाले परमाणुओं को एक-दूसरे के बहुत करीब रखते हैं, तो वे आपस में हस्तक्षेप करने लगते हैं, जिससे प्रकाश ऊर्जा रूपांतरित होने से पहले ही लुप्त हो जाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके नए क्रिस्टल में, जिसमें परमाणुओं के बीच आंतरिक अंतराल अधिक है, स्वाभाविक रूप से इस हस्तक्षेप को रोकता है। इसने उन्हें दक्षता खोए बिना क्रिस्टल को प्रकाश-अवशोषित करने वाले परमाणुओं की उच्च सांद्रता के साथ भरने की अनुमति दी, जिससे एक ऐसी सामग्री तैयार हुई जो 1532-nm फोटॉन को पकड़ने में असाधारण रूप से अच्छी है।
सिग्नल को और भी मजबूत बनाने के लिए, टीम ने मिश्रण में दूसरे दुर्लभ पृथ्वी तत्व, थुलियम को पेश किया और फिर छोटे क्रिस्टल को कैल्शियम फ्लोराइड की सुरक्षात्मक परत से ढंक दिया। इस संयोजन ने प्रकाश ऊर्जा के लिए आवर्धक लेंस (मैग्निफाइंग ग्लास) की तरह काम किया। थुलियम परमाणुओं ने क्रिस्टल के भीतर ऊर्जा को रोकने और उसे पुनर्निर्देशित करने में मदद की, जबकि बाहरी परत ने सतह के दोषों के माध्यम से ऊर्जा के रिसाव को रोका। परिणाम स्वरूप चमक में नाटकीय वृद्धि हुई: नए क्रिस्टल ने मूल, बिना कोट किए गए संस्करण की तुलना में लगभग 22,000 गुना अधिक चमकीला प्रकाश उत्सर्जित किया। प्रकाश आउटपुट में इस भारी वृद्धि का अर्थ था कि जब इन क्रिस्टल को एक प्रकाश-संवेदनशील सामग्री के साथ जोड़ा गया, तो परिणामी उपकरण बहुत कमजोर आने वाले प्रकाश से एक मजबूत विद्युत संकेत उत्पन्न कर सका।
शोधकर्ताओं ने MAPbI3 नामक सामग्री की एक फिल्म पर इन उन्नत क्रिस्टल की परतें चढ़ाकर एक कार्यात्मक डिटेक्टर बनाया, जो प्रकाश को बिजली में बदलने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है। जब उन्होंने इस उपकरण पर 1532-nm लेजर चमकाया, तो इसने संवेदनशीलता के उस स्तर के साथ प्रतिक्रिया दी जो वर्तमान में उपलब्ध सर्वश्रेष्ठ वाणिज्यिक डिटेक्टरों का मुकाबला करती है, लेकिन बिना कूलिंग या जटिल निर्माण की आवश्यकता के। उपकरण अत्यधिक सटीकता के साथ प्रकाश संकेतों का पता लगाने में सक्षम था, भले ही प्रकाश को विभिन्न सामग्रियों से गुजरना पड़ा हो। एक व्यावहारिक परीक्षण में, टीम ने प्रदर्शित किया कि डिटेक्टर न्यूनतम विरूपण के साथ कांच, प्लास्टिक और पानी के माध्यम से ऑप्टिकल संकेतों को प्राप्त कर सकता है। उन्होंने संदेश को डिकोड करने के लिए उपकरण का उपयोग किया जो पानी के माध्यम से भेजा गया था, सफलतापूर्वक प्रकाश पल्स को वापस "CAS" अक्षरों में अनुवादित किया। यह कार्य दर्शाता है कि ये नए क्रिस्टल अगली पीढ़ी के फोटोडिटेक्टरों का हृदय बन सकते हैं, जो अदृश्य 1532-nm प्रकाश को कमरे के तापमान पर उस स्पष्टता के साथ देखने में सक्षम हैं जो पहले असंभव थी।
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