Structural, Optical properties of AlInGaN nanocrystalline through chemical route by CVD method
यह अध्ययन CVD का उपयोग करके एक रासायनिक मार्ग के माध्यम से संश्लेषित AlInGaN नैनोसंरचनाओं के संरचनात्मक और प्रकाशीय गुणों को अभिलक्षित करता है, जो यह प्रकट करता है कि संश्लेषण तापमान बढ़ाने से उच्च कोणों की ओर एक चरण परिवर्तन (phase shift) प्रेरित होता है, कण का आकार 20 nm से घटकर 11 nm हो जाता है, आकृति विज्ञान गोलाकार सूक्ष्म संरचनाओं से क्लस्टर्ड नैनोकणों में बदल जाता है, और निकट-बैंड-एज फोटोल्यूमिनेसेंस उत्सर्जन में ब्लू शिफ्ट उत्पन्न होता है।
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प्रकाश उत्सर्जक उपकरण और उच्च-शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स नाइट्राइड्स के रूप में ज्ञात एक विशेष सामग्री परिवार पर निर्भर करते हैं। ये वे यौगिक हैं जो तब बनते हैं जब नाइट्रोजन आवर्त सारणी के एक विशिष्ट समूह के तत्वों के साथ बंधता है, जिससे ऐसे क्रिस्टल बनते हैं जो अत्यधिक गर्मी को झेल सकते हैं और बहुत कुशलता से प्रकाश उत्सर्जित कर सकते हैं। इनमें से, एल्युमीनियम, इंडियम, गैलियम और नाइट्रोजन का एक मिश्रण विशिष्ट रूप से उभर कर आता है क्योंकि यह एक अनूठी लचीलापन प्रदान करता है। क्रिस्टल के भीतर एल्युमीनियम और इंडियम की सटीक मात्रा को समायोजित करके, वैज्ञानिक विभिन्न आवश्यकताओं, जैसे कि लेजर या कुशल बल्ब बनाने के लिए, सामग्री के गुणों को अनुकूलित कर सकते हैं, और यह सब उनकी आंतरिक संरचना को स्थिर रखते हुए किया जा सकता है। हालांकि, इन जटिल मिश्रणों को उच्च-गुणवत्ता वाले, सूक्ष्म क्रिस्टलों के रूप में उगाना अत्यंत कठिन है। विभिन्न सामग्रियां अलग-अलग तापमानों पर जुड़ना पसंद करती हैं, जिससे उन्हें दोषों के बिना एक एकल, समान सामग्री में मिलाना मुश्किल हो जाता है, जो उनके प्रदर्शन को खराब कर सकते हैं।
द ऑक्सफोर्ड कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग और मद्रास विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने 'केमिकल वेपर डिपोजिशन' नामक विधि का उपयोग करके इस चार-भाग वाले मिश्रण के सूक्ष्म क्रिस्टल बनाकर इस समस्या को हल करने का प्रयास किया। सामग्रियों को आपस में पिघलाने के बजाय, उन्होंने एक तरल घोल से शुरुआत की जिसमें आवश्यक धातुएं एक विशिष्ट कार्बनिक अणु से जुड़ी हुई थीं। उन्होंने इस मिश्रण को एक ठोस पाउडर में सुखाया और इसे एक ट्यूब भट्टी (टयूब फर्नेस) के अंदर रखा। पाउडर को 750 से 900 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक गर्म करते हुए और इसके ऊपर अमोनिया गैस प्रवाहित करते हुए, उन्होंने एक रासायनिक प्रतिक्रिया को प्रेरित किया जिसने कार्बनिक भागों को नाइट्रोजन से बदल दिया, जिससे वांछित एल्युमीनियम-इंडियम-गैलियम-नाइट्राइड क्रिस्टल प्राप्त हुए। टीम ने परिणामों का परीक्षण यह देखने के लिए किया कि तापमान ने नए पदार्थ के आकार, आकृति और प्रकाश उत्सर्जित करने की क्षमता को कैसे प्रभावित किया।
विश्लेषण से पता चला कि इस प्रक्रिया ने सफलतापूर्वक एक विशिष्ट षट्कोणीय (हेक्सागोनल) संरचना वाले क्रिस्टल बनाए, जो प्राकृतिक खनिज वर्टज़ाइट (वर्ट्ज़ाइट) के समान है। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने हीटिंग तापमान बढ़ाया, क्रिस्टल में उल्लेखनीय परिवर्तन आए। कम तापमान पर, सामग्री ने बड़े, गोलाकार क्लस्टर बनाए। जब गर्मी को बढ़ाकर 900 डिग्री सेल्सियस किया गया, तो ये संरचनाएं टूटकर नैनोकणों के बहुत छोटे, घने समूहों में बदल गईं। मापों से पता चला कि तापमान बढ़ने के साथ कणों का औसत आकार लगभग 20 नैनोमीटर से घटकर 11 नैनोमीटर रह गया। आकार में यह कमी यह सुझाव देती है कि उच्च ताप परमाणुओं को अधिक सघन और व्यवस्थित रूप में व्यवस्थित होने में मदद करता है, जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में सामग्री के बेहतर कार्य करने के लिए महत्वपूर्ण है।
अध्ययन में इस बात पर भी बारीकी से गौर किया गया कि परमाणु कैसे कंपन करते हैं और सामग्री प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। नमूने से परावर्तित प्रकाश की ऊर्जा को मापने वाली एक तकनीक का उपयोग करते हुए, टीम ने पुष्टि की कि एल्युमीनियम और इंडियम सफलतापूर्वक क्रिस्टल लैटिस (जाली) में मिल गए थे। उन्होंने विशिष्ट कंपनों को देखा जो सामग्री के भीतर एल्युमीनियम-समृद्ध और इंडियम-समृद्ध क्षेत्रों की उपस्थिति का संकेत देते थे। दिलचस्प बात यह है कि उच्चतम तापमान पर, इंडियम-समृद्ध क्लस्टरों से जुड़े संकेत कम स्पष्ट हो गए, जिससे पता चलता है कि इंडियम परमाणु मुख्य क्रिस्टल संरचना में अधिक सहजता से एकीकृत हो गए थे, न कि अलग पॉकेट या जेबों के रूप में। यह एकीकरण महत्वपूर्ण है क्योंकि यह आंतरिक तनाव को कम करता है जो अक्सर इस प्रकार की सामग्रियों में दोषों का कारण बनता है।
जब टीम ने पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश के तहत सामग्री के चमकने के तरीके का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह चमकीली नीली रोशनी उत्सर्जित करती है। इस प्रकाश का रंग तापमान के आधार पर थोड़ा बदल गया जिस पर क्रिस्टल उगाए गए थे। 800 डिग्री सेल्सियस पर बनाए गए नमूनों ने 345 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) पर प्रकाश उत्सर्जित किया, जबकि उच्च तापमान पर बनाए गए नमूनों में यह बदलकर 350 नैनोमीटर हो गया। यह बदलाव इंगित करता है कि जैसे-जैसे संरचना अधिक परिष्कृत हुई, क्रिस्टल के भीतर ऊर्जा स्तर बदल गए। शोधकर्ताओं ने लंबी तरंग दैर्ध्य पर कुछ धुंधली, व्यापक चमक भी देखी, जिसे उन्होंने नमूने में मामूली खामियों या बचे हुए अशुद्धियों के कारण बताया। इन छोटी कमियों के बावजूद, प्राथमिक परिणाम सामग्री की प्राकृतिक ऊर्जा सीमा के पास एक स्पष्ट, मजबूत उत्सर्जन था।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि रासायनिक मार्ग का उपयोग करके उच्च-गुणवत्ता वाले, चार-घटक नाइट्राइड क्रिस्टल का संश्लेषण करना संभव है जो अंतिम संरचना पर सटीक नियंत्रण की अनुमति देता है। केवल विकास तापमान को समायोजित करके, शोधकर्ता कणों के आकार और क्रिस्टल लैटिस की एकरूपता को नियंत्रित कर सकते थे। निष्कर्ष बताते हैं कि यह विधि भविष्य के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, जैसे कि अधिक कुशल प्रकाश स्रोतों या विशेष सेंसरों के निर्माण के लिए एक व्यावहारिक मार्ग हो सकती है। कम दोषों और नियंत्रित आकारों के साथ इन क्रिस्टल को उगाने की क्षमता उन क्षेत्रों में आगे के विकास के द्वार खोलती है जिन्हें मजबूत और ट्यूनेबल अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) सामग्रियों की आवश्यकता होती है।
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