Structural, Electrical and Optical Properties of Zno and Zno:co Nanostructures Thin Films for Optoelectronic Applications
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि DC मैग्नेट्रॉन को-स्पटरिंग के माध्यम से ZnO थिन फिल्मों में कोबाल्ट को सम्मिलित करने से जाली विकार (lattice disorder) उत्पन्न होता है, ऑप्टिकल बैंड गैप संकुचित होता है, और बाइपोलर रेजिस्टिव स्विचिंग क्षमताओं में वृद्धि होती है, जिससे ये नैनोस्ट्रक्चर बहुक्रियात्मक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक उम्मीदवारों के रूप में स्थापित होते हैं।
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जिंक ऑक्साइड एक ऐसा पदार्थ है जो आधुनिक तकनीक में चुपचाप एक कार्यवाहक (workhorse) बन गया है। यह एक सफेद पाउडर है जो, जब इसे पतली, पारदर्शी फिल्मों के रूप में बनाया जाता है, तो एक अर्धचालक (semiconductor) के रूप में कार्य करता है—एक ऐसा पदार्थ जो विशिष्ट परिस्थितियों में बिजली का संचालन कर सकता है लेकिन आवश्यकता होने पर इसे रोक भी सकता है। यह दोहरा स्वभाव इसे उन उपकरणों के लिए आदर्श बनाता है जिन्हें प्रकाश को महसूस करने, ऊर्जा को परिवर्तित करने या सूचना को संग्रहीत करने की आवश्यकता होती है। हालाँकि, शुद्ध जिंक ऑक्साइड की कुछ सीमाएँ हैं; प्रकाश के साथ इसकी अंतःक्रिया करने की क्षमता एक विशिष्ट सीमा तक सीमित है, और इसका विद्युत व्यवहार जटिल कार्यों के लिए बहुत सरल हो सकता है। इन सीमाओं को दूर करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर इसमें अन्य तत्वों की सूक्ष्म मात्रा मिला देते हैं, जिसे 'डोपिंग' कहा जाता है। क्रिस्टल संरचना में विदेशी परमाणुओं को पेश करके, वे सामग्री के गुणों को बदल सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे नमक का एक चुटकी स्वाद बदल देता है। ऐसा ही एक तत्व कोबाल्ट है, जो अपने चुंबकीय गुणों के लिए जाना जाने वाला एक धातु है। जब जिंक ऑक्साइड में कोबाल्ट मिलाया जाता है, तो शोधकर्ता उम्मीद करते हैं कि एक ऐसा पदार्थ तैयार होगा जो न केवल बिजली का संचालन करेगा और प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया देगा, बल्कि जिसमें चुंबकीय विशेषताएं भी होंगी, जिससे संभावित रूप से नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनेंगे जो तेज़, छोटे और अधिक बहुमुखी होंगे।
कोलंबिया के यूनिवर्सिडाड नैशनल डी कोलंबिया और सेंट्रल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने ठीक इसी बात की खोज करने के लिए हाथ बढ़ाया कि जब जिंक ऑक्साइड और कोबाल्ट को पतली फिल्मों के रूप में मिलाया जाता है, तो कोबाल्ट जिंक ऑक्साइड को कैसे बदलता है। उन्होंने इन फिल्मों को 'DC मैग्नेट्रॉन को-स्पटरिंग' नामक एक तकनीक का उपयोग करके बनाया, जो एक ऐसी विधि है जहाँ गैस परमाणुओं की एक शक्तिशाली किरण जिंक ऑक्साइड और कोबाल्ट से बनी लक्षित वस्तुओं (targets) से टकराती है, जिससे परमाणु ढीले होकर सतह पर उड़ते हैं और एक पतली परत के रूप में जम जाते हैं। उन्होंने इन परतों को कांच और टाइटेनियम पर जमाया, जिससे दो प्रकार के नमूने बने: एक शुद्ध जिंक ऑक्साइड का और दूसरा जहाँ प्रक्रिया के दौरान कोबाल्ट की थोड़ी मात्रा मिलाई गई थी। लक्ष्य यह देखना था कि इस जुड़ाव ने सामग्री की आंतरिक संरचना, प्रकाश को गुजरने देने की इसकी क्षमता और इसके माध्यम से बिजली के प्रवाह को कैसे बदला।
जब शोधकर्ताओं ने फिल्मों की आंतरिक संरचना की जांच की, तो उन्होंने पाया कि कोबाल्ट ने जिंक ऑक्साइड के परमाणुओं की मौलिक व्यवस्था को नष्ट नहीं किया। सामग्री ने अपने षटकोणीय (hexagonal) क्रिस्टल आकार को बनाए रखा, जिसे वर्टज़ाइट (wurtzite) संरचना के रूप में जाना जाता है, जो जिंक ऑक्साइड का मानक रूप है। हालाँकि, कोबाल्ट की उपस्थिति के कारण सूक्ष्म बदलाव हुए। कोबाल्ट के परमाणुओं ने क्रिस्टल लैटिस के भीतर जिंक के परमाणुओं का स्थान लिया, जिससे एक तनाव पैदा हुआ जिसके कारण परमाणु शुद्ध फिल्म की तुलना में थोड़े करीब पैक हो गए। इस मिश्रण ने फिल्म की सतह को खुरदरा भी बना दिया। जबकि शुद्ध जिंक ऑक्साइड की फिल्म अपेक्षाकृत चिकनी और सघन परत के रूप में विकसित हुई, कोबाल्ट-डोप वाली संस्करण अधिक दानेदार और असमान हो गई, जिसमें छोटे, गुच्छेदार दाने थे। यह बनावट में परिवर्तन इंगित करता है कि कोबाल्ट के परमाणुओं ने फिल्म के बढ़ने के तरीके को बदल दिया, जिससे सतह पर छोटे क्रिस्टल के बनने और जुड़ने की प्रक्रिया बदल गई।
सबसे उल्लेखनीय परिवर्तन तब आए जब टीम ने देखा कि फिल्में प्रकाश के साथ कैसे अंतःक्रिया करती हैं। शुद्ध जिंक ऑक्साइड अपनी विस्तृत ऊर्जा अंतराल (energy gap) के लिए जाना जाता है, जिसका अर्थ है कि यह केवल उच्च-ऊर्जा वाले प्रकाश, जैसे पराबैंगनी किरणों को अवशोषित करता है, और दृश्यमान प्रकाश के लिए पारदर्शी रहता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कोबाल्ट मिलाने से यह अंतराल काफी कम हो गया। प्रकाश को अवशोषित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा 3.16 इलेक्ट्रॉन वोल्ट से गिरकर 2.70 इलेक्ट्रॉन वोल्ट हो गई। इस बदलाव का अर्थ है कि डोप्ड फिल्म अब प्रकाश की एक व्यापक श्रेणी को अवशोषित कर सकती है, जो दृश्य स्पेक्ट्रम में और आगे तक फैली हुई है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि कोबाल्ट के परमाणु सामग्री के भीतर नए ऊर्जा स्तर पेश करते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन उनके बीच अधिक आसानी से कूद सकते हैं। इसके अतिरिक्त, शोधकर्ताओं ने गणना की कि कोबाल्ट-डोप वाली फिल्म शुद्ध नमूने की तुलना में थोड़ी पतली थी, जो लगभग 100 नैनोमीटर के मुकाबले लगभग 93 नैनोमीटर थी, यह अंतर परिवर्तित विकास प्रक्रिया के कारण बताया गया।
फिल्मों का विद्युत व्यवहार भी मेमोरी उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण तरीके से बदल गया। शोधकर्ताओं ने वोल्टेज लागू करके और उसके प्रतिरोध में होने वाले परिवर्तन को देखकर फिल्मों का परीक्षण किया। शुद्ध जिंक ऑक्साइड की फिल्म ने अपनी उच्च-प्रतिरोध अवस्था (जहाँ यह बिजली को रोकता है) और निम्न-प्रतिरोध अवस्था (जहाँ यह बिजली को बहने देता है) के बीच बहुत कम अंतर दिखाया। यह छोटा अंतर डेटा को विश्वसनीय रूप से संग्रहीत करना कठिन बनाता है। इसके विपरीत, कोबाल्ट-डोप वाली फिल्म ने इन दोनों अवस्थाओं के बीच बहुत बड़ा अंतर प्रदर्शित किया, जिसमें प्रतिरोध स्तर मेगाओम रेंज तक पहुँच गया। यह स्पष्ट अलगाव बताता है कि यह सामग्री मेमोरी स्विच के रूप में उपयोग के लिए बहुत बेहतर है। उपकरण को चालू और बंद करने के लिए विशिष्ट वोल्टेज, लगभग -0.9 वोल्ट पर चालू करने और +0.5 वोल्ट पर बंद करने के लिए उपयोग किया जा सकता है, जो एक विश्वसनीय "बाइपोलर" स्विचिंग व्यवहार प्रदर्शित करता है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने नोट किया कि बार-बार उपयोग करने पर, डोप्ड फिल्म में प्रतिरोध स्तर थोड़ा ऊपर की ओर बढ़ता गया, जो यह दर्शाता है कि बिजली के आंतरिक मार्ग अभी भी विकसित हो रहे हैं और दीर्घकालिक स्थिरता के लिए और अधिक शोधन की आवश्यकता हो सकती है।
अंत में, टीम ने यह जांचा कि तापमान ने बिजली के प्रवाह को कैसे प्रभावित किया। उन्होंने पाया कि दोनों फिल्मों में, तापमान बढ़ने के साथ बिजली अधिक आसानी से चलती है, जिसे 'थर्मली एक्टिवेटेड ट्रांसपोर्ट' (ऊष्मीय रूप से सक्रिय परिवहन) कहा जाता है। इसका अर्थ है कि ऊष्मा उस ऊर्जा को प्रदान करती है जिसकी आवश्यकता इलेक्ट्रॉनों को सामग्री के भीतर बाधाओं को पार करने के लिए होती है। हालाँकि, कोबाल्ट-डोप वाली फिल्म को इस प्रक्रिया को शुरू करने के लिए काफी अधिक ऊर्जा की आवश्यकता थी। बिजली के प्रवाह को सक्रिय करने के लिए आवश्यक ऊर्जा शुद्ध फिल्म के 44.7 मिली-इलेक्ट्रॉन वोल्ट से बढ़कर कोबाल्ट-डोप वाली फिल्म में 242.91 मिली-इलेक्ट्रॉन वोल्ट हो गई। यह बड़ी वृद्धि बताती है कि कोबाल्ट के परमाणुओं ने नए, गहरे ट्रैप या बाधाएं बनाई हैं जिन्हें इलेक्ट्रॉनों को पार करना होगा, जिससे चार्ज वाहकों के यात्रा करने वाले परिदृश्य में मौलिक परिवर्तन आया है।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि भले ही कोबाल्ट जिंक ऑक्साइड के बुनियादी क्रिस्टल आकार को नहीं बदलता है, लेकिन यह सामग्री के चरित्र को गहराई से बदल देता है। यह सतह को अधिक खुरदरा बनाता है, प्रकाश अवशोषण के लिए ऊर्जा अंतराल को कम करता है, और बिजली के 'ऑन' और 'ऑफ' राज्यों के बीच बहुत मजबूत अंतर पैदा करता है। ये परिवर्तन, कोबाल्ट परमाणुओं के सूक्ष्म समावेश और परिणामी संरचनात्मक विकार (structural disorder) द्वारा संचालित हैं, जो एक ऐसे पदार्थ की ओर संकेत करते हैं जिसे भविष्य के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए विशेष भूमिकाओं हेतु अनुकूलित किया जा सकता है, जहाँ प्रकाश और बिजली दोनों को नियंत्रित करना आवश्यक है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि इन सामग्रियों को कैसे उगाया और डोप किया जाता है, इसका सावधानीपूर्वक प्रबंधन करके, वैज्ञानिक अगली पीढ़ी की तकनीक के लिए अनुकूलित गुणों वाली पतली फिल्में इंजीनियर कर सकते हैं।
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