High-performance electroluminescent LEDs via structural engineering of ultrasound-assisted carbon quantum dots
यह अध्ययन संरचनात्मक रूप से इंजीनियर कार्बन क्वांटम डॉट्स के एक तीव्र, अल्ट्रासोनिक-सहायता प्राप्त संश्लेषण को प्रस्तुत करता है जिनमें अनुकूलित बाइफिनाइल समूह हैं जो रिकॉर्ड-तोड़ ल्यूमिनेंस और उच्च-प्रदर्शन वाले हरे इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंट एलईडी में दक्षता प्राप्त करने के लिए π–π स्टैकिंग को दबाते हैं।
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लाइट-एमिटिंग डायोड (एलईडी), जो हमारी स्क्रीन और लैंप के पीछे के छोटे प्रकाश स्रोत हैं, तेजी से परिष्कृत होते जा रहे हैं, फिर भी कई सबसे चमकीले और रंगीन संस्करण कैडमियम या लेड जैसे भारी धातुओं पर निर्भर करते हैं। ये सामग्रियां अच्छी तरह से काम करती हैं लेकिन इनमें एक विषाक्त बोझ होता है जो इनके उपयोग और निपटान को जटिल बनाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से कार्बन का उपयोग करके एक स्वच्छ विकल्प की तलाश कर रहे हैं, जो वही तत्व है जो जीवन का आधार और ग्रेफाइट पेंसिल बनाता है। कार्बन डॉट्स एक आशाजनक उम्मीदवार हैं: वे छोटे, गैर-विषाक्त कण हैं जो ऊर्जा मिलने पर चमकते हैं। हालांकि, उन्हें वास्तविक दुनिया के डिस्प्ले के लिए पर्याप्त चमकदार बनाना कठिन रहा है। इन डॉट्स को बनाने के पारंपरिक तरीकों के लिए उच्च ताप और दबाव की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर एक ऐसा उत्पाद मिलता है जो तरल में तो चमकता है लेकिन जब उन्हें एक ठोस फिल्म के रूप में एक साथ रखा जाता है, तो उनकी चमक काफी कम हो जाती है, क्योंकि इसी तरह उन्हें एक कार्यशील उपकरण में व्यवस्थित किया जाना चाहिए। चुनौती यह खोजने की थी कि कैसे इन कार्बन कणों को एक बोतल में रखे तरल की तरह ही ठोस अवस्था में भी उतना ही चमकीला बनाया जाए, बिना खतरनाक रसायनों या अत्यधिक स्थितियों का उपयोग किए।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन कार्बन डॉट्स के निर्माण के तरीके और उन्हें बनाने के तरीके को बदलकर इस समस्या को हल करने का एक तरीका खोज लिया है। मानक उच्च-ताप खाना पकाने की विधियों के बजाय, उन्होंने रासायनिक प्रतिक्रिया को संचालित करने के लिए ध्वनि तरंगों (अल्ट्रासाउंड) का उपयोग किया। विशिष्ट कार्बन-आधारित सामग्रियों के मिश्रण को एक कंटेनर में रखकर केवल तीस मिनट के लिए कमरे के तापमान पर अल्ट्रासाउंड के अधीन करने से, उन्होंने कार्बन डॉट्स का एक चमकीला पीला पाउडर तैयार किया। यह प्रक्रिया, जिसे एक बार में ग्रामों में सामग्री बनाने के लिए बढ़ाया जा सकता है, ऐसे कण बनाती है जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग के लिए तैयार हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि डॉट्स की चमक का रहस्य उनके आकार में छिपा था। उन्होंने दो प्रकार के डॉट्स की तुलना की: एक जो एक सपाट, फ्यूज्ड-रिंग संरचना के साथ बना था और दूसरा जो एक मुड़ी हुई (ट्विस्टेड), दो-रिंग संरचना के साथ बना था। हालांकि दोनों प्रकार के डॉट्स एक ही रंग के साथ चमकते थे, लेकिन मुड़ा हुआ संस्करण पैक किए जाने पर कहीं अधिक बेहतर था।
इस अंतर का कारण भौतिक है। एक ठोस फिल्म में, चमकने वाले कण अक्सर एक-दूसरे के बहुत करीब बैठ जाते हैं, जिससे उनकी ऊर्जा एक-दूसरे को रद्द कर देती है और प्रकाश फीका पड़ जाता है। इसे 'स्टैकिंग' कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके नए कार्बन डॉट्स की मुड़ी हुई संरचना एक अंतर्निहित 'स्पेसर' (दूरी बनाए रखने वाला) के रूप में कार्य करती है। यह टेढ़ा-मेढ़ा आकार कणों को एक-दूसरे के विरुद्ध सपाट लेटने से रोकता है, जिससे वे थोड़े अलग रहते हैं। यह अलगाव उस ऊर्जा हानि को रोकता है जो आमतौर पर ठोस सामग्रियों में होती है। एक सपाट प्रिकर्सर अणु को एक मुड़े हुए अणु से बदलकर, टीम ने ठोस पाउडर की चमक में साठ प्रतिशत से अधिक की वृद्धि की। इस संरचनात्मक इंजीनियरिंग ने डॉट्स को एक फिल्म में एक साथ दबाए जाने पर भी अपनी तीव्र चमक बनाए रखने में सक्षम बनाया, जो पिछले कार्बन-आधारित सामग्रियों के लिए हासिल करना कठिन था।
इन चमकीले, स्थिर डॉट्स के साथ, टीम ने उनके प्रदर्शन का परीक्षण करने के लिए कार्यशील लाइट-एमिटिंग डायोड बनाए। उन्होंने ऐसे उपकरण बनाए जहाँ कार्बन डॉट्स उस परत के रूप में कार्य करते हैं जो प्रकाश उत्पन्न करती है। सबसे सरल संस्करण में, जहाँ डॉट्स का उपयोग अकेले किया गया था, उपकरण ने 7,744 कैंडेला प्रति वर्ग मीटर की चरम चमक उत्पन्न की, जो अनडोप्ड (undoped) ग्रीन कार्बन-डॉट एलईडी के लिए एक रिकॉर्ड है। प्रदर्शन को और बढ़ाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक दूसरी प्रकार की सामग्री जोड़ी जो ऊर्जा को अधिक कुशलता से पकड़ने और स्थानांतरित करने में मदद करती है। इस संयोजन ने उपकरण को बिजली को प्रकाश में बदलने की 12.2 प्रतिशत की दक्षता प्रदान की, जो इस प्रकार की तकनीक के लिए एक और रिकॉर्ड है। उपकरण में विद्युत आवेशों को स्थानांतरित करने वाली परत में एक छोटा सा बदलाव करके, उन्होंने 19,043 कैंडेला प्रति वर्ग मीटर की चरम चमक प्राप्त की, जो कार्बन-डॉट एलईडी के लिए अब तक दर्ज की गई उच्चतम वैल्यू है।
इन सामग्रियों की सफलता केवल कच्ची चमक तक ही सीमित नहीं है। टीम ने प्रदर्शित किया कि इन कार्बन डॉट्स का उपयोग प्रकाश के बड़े, समान पैनल, लचीली पट्टियाँ (जो मुड़ने पर भी चमकदार रहती हैं), और यहाँ तक कि सूक्ष्म, पैटर्न वाले पिक्सेल बनाने के लिए किया जा सकता है जो उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले डिस्प्ले का आधार बन सकते हैं। उन्होंने लगभग 1,500 पिक्सेल प्रति इंच के पिक्सेल घनत्व वाला एक पैटर्न वाला डिस्प्ले सफलतापूर्वक बनाया, जो दर्शाता है कि यह सामग्री उन्नत दृश्य अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। पूरी प्रक्रिया, तीव्र, कमरे के तापमान पर संश्लेषण से लेकर अंतिम उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरण तक, जहरीली भारी धातुओं पर निर्भर किए बिना चमकीले, रंगीन और पर्यावरण के अनुकूल डिस्प्ले बनाने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है। यह कार्य सिद्ध करता है कि इन सूक्ष्म कार्बन कणों के आकार को सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, वैज्ञानिक उन सीमाओं को पार कर सकते हैं जिन्होंने वर्षों से कार्बन-आधारित लाइटिंग को रोक रखा था।
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