Vapor-liquid-solid epitaxy of wafer-scale perovskite single crystals

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हमारे स्क्रीन, सौर पैनल और सेंसर को शक्ति देने वाली सामग्रियां छोटे, दोषपूर्ण क्रिस्टल के आपस में जुड़े होने के बजाय, एक एकल क्रिस्टल की विशाल, त्रुटिहीन चादरों से बनी हों। यह उन इंजीनियरों का सपना है जो मेटल हैलाइड पेरोव्स्काइट (metal halide perovskites) नामक सामग्रियों के वर्ग पर काम कर रहे हैं। ये पदार्थ प्रकाश को बिजली में और इसके विपरीत बदलने की अपनी उल्लेखनीय दक्षता के लिए प्रसिद्ध हैं। हालाँकि, दशकों से, वैज्ञानिक इन्हें बड़े, निरंतर चादरों के रूप में बनाने के लिए संघर्ष कर रहे हैं। जब वे मानक तरीकों का उपयोग करके इन सामग्रियों को उगाने की कोशिश करते हैं, तो परिणाम आमतौर पर छोटे दानों का एक पैचवर्क होता है। इन दानों के बीच की सीमाएं इलेक्ट्रॉनों के लिए ट्रैफिक जाम की तरह काम करती हैं, जिससे ऊर्जा की हानि, गर्मी और अस्थिरता होती है। अगली पीढ़ी के उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरण बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसा तरीका चाहिए जिससे वे इन सामग्रियों को एक पूरे वेफर (wafer) पर, जो इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले मानक सिलिकॉन चिप के आकार का हो, एक पूर्ण, अखंड शीट के रूप में उगा सकें।

सन यत-सेन विश्वविद्यालय, शेडोंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी, और सूचोउ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब बिल्कुल यही करने का एक तरीका खोज लिया है, जिसमें उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के पेरोव्स्काइट क्रिस्टल की दो-इंच की चादरें उगाई हैं जो ग्रेन बाउंड्रीज़ (grain boundaries) से पूरी तरह मुक्त हैं। उनकी यह सफलता इस बात में निहित है कि उन्होंने गैस से सामग्री को उगाने के तरीके को बदल दिया है। गैस के कणों को सीधे एक ठोस सतह पर उतरने और तुरंत चिपकने देने के बजाय, शोधकर्ताओं ने बीच में तरल की एक पतली परत पेश की। यह तरल एक सेतु (bridge) के रूप में कार्य करता है, जिससे क्रिस्टल के निर्माण खंड स्वतंत्र रूप से बह सकते हैं और ठोस होने से पहले अपने आदर्श स्थानों को पा सकते हैं। इसका परिणाम एक चिकनी, एकसमान क्रिस्टल शीट है जो बिना किसी दरार या अंतराल के पूरी सतह को कवर करती है। यह विधि, जिसे टीम 'कैटालिस्ट-फ्री वेपर-लिक्विड-सॉलिड ग्रोथ' (catalyst-free vapor-liquid-solid growth) कहती है, सामग्री विज्ञान की एक लंबे समय से चली आ रही समस्या को हल करती है और बड़े पैमाने पर उच्च गुणवत्ता वाले पेरोव्स्काइट उपकरणों के निर्माण का द्वार खोलती है।

इस खोज तक का सफर इस बात की मौलिक समस्या के साथ शुरू हुआ कि इन क्रिस्टलों को आमतौर पर कैसे बनाया जाता है। पारंपरिक तरीकों में, वैज्ञानिक रसायनों के मिश्रण को तब तक गर्म करते हैं जब तक कि वे वाष्प में न बदल जाएं। यह वाष्प फिर एक ठंडी सतह तक यात्रा करती है, जहाँ यह संघनित होती है और एक ठोस फिल्म बनाती है। समस्या यह है कि ठोस सामग्री की सतह बहुत ऊर्जावान होती है और वाष्प के लिए उस पर समान रूप से बैठना कठिन होता है। यह एक ऐसी सतह पर गाढ़ा, चिपचिपा पदार्थ फैलाने की कोशिश करने जैसा है जो उसे प्रतिकर्षित करती है; पदार्थ फैलने के बजाय छोटे द्वीपों के रूप में इकट्ठा होने लगता है। ये द्वीप बढ़ते हैं और अंततः एक-दूसरे से टकरा जाते हैं, जिससे पीछे ऐसी अव्यवस्थित सीमाएं रह जाती हैं जहाँ क्रिस्टल संरचना टूट जाती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि गैस से सीधे ठोस में संक्रमण एक उच्च-ऊर्जा बाधा पैदा करता है, जिससे सामग्री का सुचारू रूप से फैलना कठिन हो जाता है।

इसे दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक नया दृष्टिकोण विकसित किया जो प्रक्रिया में एक तरल चरण को सम्मिलित करता है। उन्होंने दो रासायनिक पाउडर, सीज़ियम ब्रोमाइड और लेड ब्रोमाइड के मिश्रण से शुरुआत की, जो क्रिस्टल बनाने के लिए आवश्यक घटक हैं। उन्होंने इन पाउडरों को एक भट्टी के भीतर एक क्रूसिबल (crucible) में रखा और उन्हें एक विशिष्ट तापमान तक गर्म किया। जैसे ही पाउडर गर्म हुए, उन्होंने एक वाष्प छोड़ी। महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने इस वाष्प को सीधे ठोस सबस्ट्रेट (substrate) से टकराने नहीं दिया। इसके बजाय, वाष्प पहले सबस्ट्रेट की सतह पर तरल की एक पतली परत में संघनित हो गई। यह तरल परत, जो रासायनिक घटकों से समृद्ध है, सतह को पूरी तरह से गीला (wet) करती है, जिसका अर्थ है कि यह सतह के हर इंच को कवर करने के लिए बिना मोती की तरह सिमटे फैल जाती है।

यह तरल परत खेल के नियमों को बदल देती है। एक गैस के संघर्ष के बजाय जो ठोस से चिपकने की कोशिश कर रही है, अब विकास एक तरल और एक ठोस के बीच की सीमा पर होता है। यह एक बहुत कम ऊर्जा वाला वातावरण है। तरल रासायनिक घटकों के लिए एक राजमार्ग के रूप में कार्य करता है, जिससे उन्हें स्वतंत्र रूप से घूमने और क्रिस्टल के बढ़ते हिस्से में शामिल होने के लिए अपने सही स्थान को खोजने की अनुमति मिलती है। क्योंकि घटक तरल के माध्यम से इतनी आसानी से यात्रा कर सकते हैं, वे यादृच्छिक गुच्छों में नहीं फंसते हैं। इसके बजाय, वे मौजूदा क्रिस्टल पैच के किनारों से बाहर की ओर बढ़ते हैं, अंतराल को भरते हैं और अपने पड़ोसियों के साथ सहजता से मिल जाते हैं। शोधकर्ताओं ने देखा कि जैसे-जैसे क्रिस्टल बढ़े, उन्होंने एक चिकना, घुमावदार किनारा बनाए रखा, और पूरी सतह को कवर करने तक निरंतर विस्तार किया।

टीम ने इस विधि का परीक्षण दो-इंच व्यास वाले सफायर (sapphire) सबस्ट्रेट पर किया, जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य आधार है। परिणाम पेरोव्स्काइट सामग्री, सीज़ियम लीड ब्रोमाइड की एक निरंतर फिल्म थी, जिसकी मोटाई 1.63 माइक्रोमीटर थी। जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी से इस फिल्म को देखा, तो उन्होंने कुछ असाधारण देखा। सतह परमाणु स्तर पर चिकनी थी, जिसकी खुरदरापन एक बड़े क्षेत्र में एक नैनोमीटर से भी कम था। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि पूरी फिल्म एक एकल क्रिस्टल थी। इसमें कोई ग्रेन बाउंड्रीज़, कोई दरार और कोई अंतराल नहीं था। फिल्म में परमाणु एक पूर्ण, दोहराते पैटर्न में व्यवस्थित थे जो नीचे के सफायर सबस्ट्रेट से मेल खाता था, जो दोनों सामग्रियों के बीच एक उच्च-गुणवत्ता वाले संबंध का संकेत है।

यह साबित करने के लिए कि यह केवल एक विशिष्ट रसायन के साथ एक भाग्यशाली दुर्घटना नहीं थी, शोधकर्ताओं ने इस विधि को सामग्री के अन्य विविधताओं पर लागू किया। उन्होंने सफलतापूर्वक सीज़ियम लीड क्लोराइड और क्लोरीन एवं ब्रोमीन के दो अलग-अलग मिश्रणों की चादरें उगाईं। इन विभिन्न संरचनाओं ने क्रिस्टल के रंग को सफेद से पीले से भूरे रंग में बदल दिया, लेकिन विकास प्रक्रिया वही रही, जिसने प्रत्येक प्रकार के लिए बड़ी, एकसमान चादरें बनाईं। इसने प्रदर्शित किया कि यह विधि बहुमुखी है और विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक पेरोव्स्काइट सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला बनाने के लिए उपयोग की जा सकती है।

इन नए क्रिस्टलों की गुणवत्ता का परीक्षण किया गया। शोधकर्ताओं ने मापा कि इलेक्ट्रॉन इस सामग्री के माध्यम से कितनी अच्छी तरह चल सकते हैं और पाया कि क्रिस्टल असाधारण रूप से शुद्ध थे। दोषों, या "ट्रैप्स" (traps) की संख्या, जो आमतौर पर इलेक्ट्रॉनों को पकड़ते और रोकते हैं, अविश्वसनीय रूप से कम थी, जो वेपर-सॉलिड (vapor-solid) से उगाई गई फिल्मों की तुलना में तीन गुना कम (three orders of magnitude lower) थी। इस शुद्धता का अर्थ था कि सामग्री विद्युत धारा को बहुत कुशलता से ले जा सकती है। जब उन्होंने इन सामग्रियों के प्रति प्रतिक्रिया को परखने के लिए सरल उपकरण बनाए, तो परिणाम प्रभावशाली थे। उपकरण प्रकाश का पता बहुत तेज़ी से लगा सकते थे, जो एक माइक्रोसेकंड से भी कम समय में चालू और बंद हो सकते थे, जो पारंपरिक तरीकों से बने उपकरणों की तुलना में बहुत तेज़ है। उनमें बिजली में बदलने की भी मजबूत क्षमता देखी गई, जिसमें सिग्नल-टू-नॉइज़ (signal to noise) का अनुपात उच्च था।

इस सफलता का रहस्य बढ़ते क्रिस्टल के किनारे पर तरल मध्यवर्ती (liquid intermediate) की अनूठी भूमिका में छिपा है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह तरल परत केवल एक निष्क्रिय वाहक नहीं है; यह सक्रिय रूप से नियंत्रित करती है कि क्रिस्टल कैसे बनता है। बढ़ते क्रिस्टल के किनारे पर घटकों को तरल अवस्था में रखकर, सामग्री उतनी दूर तक यात्रा कर सकती है जितनी वह ठोस या गैस अवस्था में नहीं कर पाती। यह क्रिस्टल को एक नियंत्रित, 'एज-डोमिनेटेड' (edge-dominated) तरीके से बढ़ने की अनुमति देता है, जहाँ क्रिस्टल के किनारे सुचारू रूप से फैलते हैं और अन्य क्रिस्टल के साथ मिल जाते हैं। तरल घटकों की सांद्रता को स्थिर रखने में भी मदद करता है, जिससे दोषों की ओर ले जाने वाले अराजक, विस्फोटक विकास को रोका जा सके। यह प्रक्रिया बिना किसी अतिरिक्त उत्प्रेरक (catalyst) की आवश्यकता के होती है, जिनकी अक्सर अन्य विधियों में विकास को निर्देशित करने के लिए आवश्यकता होती है लेकिन वे अशुद्धियाँ भी ला सकते हैं।

इस कार्य के निहितार्थ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स (optoelectronics) के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण हैं। पेरोव्स्काइट क्रिस्टल की बड़ी, पूर्ण चादरों को उगाने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब उन उपकरणों का निर्माण कर सकते हैं जो पहले प्रयोगशाला-स्तर के छोटे नमूनों तक सीमित थे। ये उच्च-गुणवत्ता वाले क्रिस्टल अधिक कुशल सौर सेल, उज्जवल और अधिक स्थिर लाइट-एमिटिंग डायोड (LEDs), और तेज़, अधिक संवेदनशील प्रकाश डिटेक्टरों की ओर ले जा सकते हैं। पेपर में वर्णित विधि उत्पादन को बढ़ाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है, जो छोटे, अपूर्ण नमूनों से बड़े, एकसमान वेफर्स तक ले जाती है जिनका उपयोग वास्तविक दुनिया के विनिर्माण में किया जा सकता है।

अंत में, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि विकास प्रक्रिया के दौरान पदार्थ की अवस्था को बदलकर—गैस से तरल से ठोस तक—वे पेरोव्स्काइट तकनीक के विकास को बाधित करने वाली मौलिक सीमाओं को पार कर सकते हैं। तरल परत एक कोमल मार्गदर्शक के रूप में कार्य करती है, यह सुनिश्चित करती है कि परमाणु अपने सही स्थानों को खोजें और एक एकल, निरंतर क्रिस्टल बनाएं। इस सरल लेकिन गहन समायोजन ने पेरोव्स्काइट विकास के परिदृश्य को बदल दिया है, एक कठिन थर्मोडायनामिक समस्या को एक प्रबंधनीय प्रक्रिया में बदल दिया है। परिणाम एक नए युग की सामग्रियां हैं जो न केवल उच्च प्रदर्शन वाली हैं बल्कि स्केलेबल भी हैं, जो उन्नत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के वादे को वास्तविकता के करीब लाती हैं।