एक क्वांटम डॉट एक प्रकार का अर्धचालक है जो केवल कुछ नैनोमीटर चौड़ा है। इसमें अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है, जिसमें एलईडी लाइटिंग, मेडिकल डायग्नोस्टिक्स, प्रिंटिंग, सेमीकंडक्टर फैब्रिकेशन और सौर पैनल शामिल हैं। वे बहुत छोटे हैं, लेकिन हमारी दुनिया पर उनका बड़ा प्रभाव पड़ा है जैसा कि हम जानते हैं। यही कारण है कि जिन लोगों को क्वांटम डॉट्स बनाने के लिए एक त्वरित, विश्वसनीय तरीका मिला, उन्हें सम्मानित किया गया 2023 में रसायन विज्ञान के लिए नोबेल पुरस्कार।
क्वांटम डॉट्स को क्वांटम कारावास नामक एक घटना से उनकी उत्सुक लेकिन शक्तिशाली क्षमताएं मिलती हैं। जब आप एक स्विच फेंकते हैं, तो एक बल्ब आता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि इलेक्ट्रॉन तांबे के तारों के माध्यम से एक बिजली स्रोत से बल्ब तक प्रवाहित होते हैं। क्योंकि तार काफी मोटे होते हैं (एक इलेक्ट्रॉन के दृष्टिकोण से) और बहुत लंबे समय तक, इलेक्ट्रॉनों को कसकर पैक नहीं किया जाता है और स्वतंत्र रूप से स्थानांतरित किया जाता है। लेकिन एक क्वांटम डॉट में, बहुत अधिक जगह नहीं है और इलेक्ट्रॉन अपेक्षाकृत एक दूसरे के करीब हैं। इसलिए भले ही वे पूरे क्वांटम डॉट के चारों ओर घूमने के लिए स्वतंत्र हों, और उनके परमाणुओं तक ही सीमित न हों, उनका आंदोलन अभी भी प्रतिबंधित है।
इस स्थिति में, प्रत्येक इलेक्ट्रॉन में ऊर्जा की मात्रा में परिवर्तन हो सकता है। आपके घर के सर्किट में एक तांबे के तार में, यदि कोई इलेक्ट्रॉन किसी तरह से कुछ अतिरिक्त ऊर्जा प्राप्त करता है, तो यह बस तेजी से घूम सकता है। लेकिन एक क्वांटम डॉट में कहीं नहीं जाना है, इसलिए इलेक्ट्रॉन बस अधिक ऊर्जा प्राप्त नहीं कर सकते हैं, भले ही, आप डॉट पर वोल्टेज बढ़ाते हैं। इसके बजाय, इलेक्ट्रॉनों में प्रत्येक में केवल विशिष्ट मात्रा में ऊर्जा हो सकती है। यह ठीक है कि एक परमाणु में इलेक्ट्रॉन कैसे व्यवहार करते हैं: उनके पास सीमित ऊर्जा स्तर हैं। यह ऐसा है जैसे वे एक मूवी हॉल में हैं। कॉपर-वायर इलेक्ट्रॉन किसी भी सीट को भरने के लिए स्वतंत्र हैं जो उन्हें पसंद है। लेकिन एक परमाणु में, कुछ पंक्तियों को बंद कर दिया जाता है और अन्य पंक्तियों में, केवल विशिष्ट सीटें उपलब्ध हैं। क्योंकि एक क्वांटम डॉट में सभी इलेक्ट्रॉन इस तरह से व्यवहार करते हैं, डॉट खुद एक विशाल परमाणु की तरह व्यवहार करता है।
सामग्री 3 डी में नहीं है
इलेक्ट्रॉनों को महसूस होता है क्योंकि वे इतने पैक होते हैं कि यह क्वांटम कारावास के कारण कहा जाता है। एक सामग्री को 1 डी या 2 डी के रूप में वर्णित किया गया है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि यह उसके इलेक्ट्रॉनों को कितना सीमित करता है। एक क्वांटम डॉट को एक शून्य-आयामी सामग्री माना जाता है: जबकि इसके इलेक्ट्रॉन तकनीकी रूप से तीन आयामों में स्थानांतरित हो सकते हैं, उपलब्ध वॉल्यूम इतना छोटा है कि यह अंतरिक्ष में एक बिंदु भी हो सकता है।
इसी तरह, ग्राफीन एक प्रसिद्ध 2 डी सामग्री है: इसमें एक हेक्सागोनल पैटर्न में एक दूसरे से बंधे कार्बन परमाणुओं की एक शीट होती है। इस शीट में इलेक्ट्रॉन केवल दो आयामों में घूम सकते हैं, इस प्रकार 2 डी। परिणामस्वरूप वे ऐसा व्यवहार करते हैं जैसे कि उनके पास द्रव्यमान नहीं है, उदाहरण के लिए, अन्य सामग्रियों में नहीं देखे गए गुणों को जन्म देना।
असामान्य सामग्री गुण क्वांटम कारावास को जन्म देता है स्पष्ट रूप से महान वास्तविक दुनिया के मूल्य के हैं। यही कारण है कि वैज्ञानिक भी 2 डी धातुओं को बनाने की कोशिश कर रहे हैं – लेकिन वे एक कांटेदार समस्या में चल रहे हैं।
यदि एक ग्राफीन शीट को दूसरे के ऊपर रखा जाता है, तो दो चादरें उनके बीच कमजोर लिंक विकसित करेगी जिसे वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन कहा जाता है। वे बहुत कमजोर बॉन्ड हैं: वे चादरों को बहने से अलग रख सकते हैं, लेकिन अगर आप एक ही चादर को थोड़ा सा टग करते हैं, तो बातचीत टूट जाएगी और चादरों को अलग करने की अनुमति होगी।
ग्राफीन की खोज करने वाले वैज्ञानिकों ने यह भी पाया कि ग्रेफाइट पर कुछ सिलोफ़न टेप संलग्न करके, फिर इसे एक चिकनी गति में खींचकर, वे टेप के साथ आने के लिए ग्राफीन की कुछ परतें प्राप्त कर सकते हैं।
वास्तव में, वास्तव में सपाट धातुएं
यह संभव नहीं होता अगर कार्बन एक धातु होता। एक धातु परमाणु के साथ समस्या यह है कि यह अपने आस -पास के सभी परमाणुओं के साथ बंधन करना पसंद करता है। अलग तरीके से रखो, परमाणु आसानी से 3 डी में बॉन्ड बनाता है। इसे केवल 2 डी में बॉन्ड बनाने के लिए मजबूर करना बहुत मुश्किल है। यही कारण है कि सामग्री वैज्ञानिक एक दशक से विभिन्न तकनीकों का उपयोग करके 2 डी धातुओं को बनाने के लिए एक दशक से कोशिश कर रहे हैं, कोई फायदा नहीं हुआ। उन्होंने एक सब्सट्रेट पर धातु के परमाणुओं को ध्यान से जमा करने की कोशिश की है, एक 2 डी सामग्री और एक सब्सट्रेट के बीच धातु के स्लाइस को सैंडविचिंग करते हैं, यहां तक कि धातु के टुकड़ों को भी नीचे हथौड़ा मारते हैं।
वे केवल कुछ नैनोमीटर मोटी धातु की चादरों का प्रबंधन करने में सक्षम हैं। यह पर्याप्त नहीं है: परमाणु रूप से पतली चादरें 10 गुना पतली होती हैं, सबसे अच्छी तरह से कुछ एंगस्ट्रॉम (Å) गहरी। वैज्ञानिकों ने इन सामग्रियों की सतह को भी असमान पाया है और अक्सर धातु के परमाणु ऑक्साइड यौगिक बनाने के लिए वायुमंडल में ऑक्सीजन के साथ बातचीत करते हैं।
फिर भी उन्हें चलते रहने के लिए प्रेरित किया गया है क्योंकि 2 डी धातुओं में अत्यधिक अनूठी गुण होने की उम्मीद है, जिनका अगली पीढ़ी की प्रौद्योगिकियों के लिए शोषण किया जा सकता है, जिसमें सुपर-सेंसिटिव सेंसर शामिल हैं, जिनमें दवा से लेकर सैन्य तक के अनुप्रयोग शामिल हैं। 2 डी बिस्मथ और टिन को विशेष रूप से विदेशी सामग्री होने की उम्मीद की जाती है, जिसे टोपोलॉजिकल इंसुलेटर कहा जाता है, केवल उनके किनारों के साथ बिजली की धाराओं का संचालन किया जाता है, कहीं और नहीं। ऐसी अवस्था में, सामग्री छोटे द्वीपों में चुम्बकीय हो सकती है – एक घटना के भौतिकविदों ने कहा है कि भविष्य के तेज कंप्यूटर बनाने के लिए शोषण किया जा सकता है।
एक उच्च दबाव सैंडविच
अब, अगर एक अध्ययन हाल ही में प्रकाशित प्रकृति माना जाता है, अंत में 2 डी सुरंग के अंत में प्रकाश हो सकता है। बीजिंग नेशनल लेबोरेटरी फॉर कंडेंस्ड मैटर फिजिक्स एंड इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स, यूनिवर्सिटी ऑफ चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज (दोनों बीजिंग में), और सोंगशैन लेक मटेरियल लेबोरेटरी (डोंगगुअन) की एक टीम ने बिस्मथ, गैलियम, इंडियम, टिन और लीड की 2 डी शीट का उत्पादन करने का एक तरीका बताया है। टीम की तकनीक या तो जटिल नहीं है – हालांकि यह आंशिक रूप से है क्योंकि आवश्यक प्रौद्योगिकियों ने अपने वर्तमान उन्नत स्थिति में जाने में लंबा समय लिया है।
यह लगभग इस तरह से जाता है: (i) एक धातु का एक शुद्ध पाउडर बनाएं, बिस्मथ कहते हैं। (ii) इसे नीलम से बनी एक प्लेट पर बिछाते हैं, जिसके ऊपर मोलिब्डेनम डिसल्फाइड की एक एकल परत (मोस)2) जमा किया गया है। यह निचला निहरा है। (iii) जैसे ही निचले मुहावने को गर्म किया जाता है, इसके ऊपर धातु पाउडर पिघल जाएगा और फैल जाएगा। (iv) बूंदों को शीर्ष निहाई के साथ ओवरलैड किया जाता है, जिसमें एक एकल मोस भी होता है2 एक नीलम सब्सट्रेट पर परत चिपकाई गई। इस बिंदु पर बूंद MOS की दो परतों के बीच सैंडविच है2जो बदले में नीलम की दो परतों के बीच सैंडविच हैं। (v) शीर्ष एविल को एक छोटे कोण द्वारा घुमाया जाता है और फिर दो गुनगुनाहट को एक साथ दबाया जाता है। दबाव तब तक रखा जाता है जब तक कि एविल्स कमरे के तापमान पर ठंडा नहीं हो जाता, फिर हटा दिया जाता है। (vi) धातु की स्मोक्ड शीट को छील दिया जाता है।
टीम के अनुसार, बिस्मथ शीट सिर्फ 6.3 the मोटी थी – लगभग दो परमाणुओं की गहराई और धातु में इलेक्ट्रॉनों के लिए पर्याप्त 2 डी में सीमित होने के लिए पर्याप्त है।
MOS का उपयोग2 और नीलम आकस्मिक नहीं था। विदेश राज्य मंत्री2 एक यंग का मापांक है-300 बिलियन पाक के 430 बिलियन पास्कल (पीए) और नीलम की मात्रा को विकृत करने के लिए आवश्यक बल की मात्रा। यह समुद्र के स्तर पर एक मिलियन गुना से अधिक वायुमंडलीय दबाव है। 2 डी बिस्मथ बनाने के लिए लागू वैज्ञानिकों को निचोड़ ‘सिर्फ’ 200 मिलियन पीए।2 और नीलम में भी चिकनी सतहें होती हैं, जिसका अर्थ है कि उनके परमाणु उनके पास बिस्मथ परमाणुओं के साथ बंधने की कोशिश नहीं करते हैं।
शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि बिस्मथ शीट ने इस प्रकार एक मजबूत क्षेत्र प्रभाव और एक गैर -हॉल हॉल प्रभाव का प्रदर्शन किया। एक क्षेत्र प्रभाव का मतलब है कि बाहरी विद्युत क्षेत्र को लागू करके शीट कितनी अच्छी तरह से बिजली का संचालन करती है। नॉनलाइनियर हॉल प्रभाव अधिक अजीब था: जब एक विद्युत क्षेत्र लागू किया गया था, तो बिस्मथ शीट ने लंबवत दिशा में एक वोल्टेज का अधिग्रहण किया। दोनों मजबूत क्षेत्र प्रभाव और nonlinear हॉल प्रभाव 2 डी धातुओं में होते हैं, 3 डी धातुओं में नहीं।
दुनिया को बदलने के लिए
नया प्रयास है “वैन डेर वाल्स सामग्री की परतों के बीच पतले क्रिस्टल को उगाने वाला पहला नहीं है। पिछले एक साल में, हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड की परतों के बीच उगाए गए एकल-एटम-मोटी ग्राफीन नैनो-राइबों की रिपोर्टें आई हैं, और सोने के नैनोमीटर के बीच सिर्फ कुछ नैनोमीटर मोटे मोस के गले में उगाए गए हैं।2“कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, इरविन, कंडेनसेड-मैटर भौतिकी शोधकर्ता जेवियर सांचेज-यमागिशी ने कागज के साथ एक टिप्पणी में लिखा है।” मेरे अपने समूह ने भी हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड की परतों के बीच धातु को निचोड़कर बिस्मथ के अल्ट्रा-थिन क्रिस्टल का उत्पादन किया है, हालांकि 5 नैनोमेटर्स की न्यूनतम मोटाई थी। “
“हमारी विधि और झाओ और सहकर्मियों के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर यह है कि उन्होंने बड़े (सेंटीमीटर-स्केल) नीलम का उपयोग किया।2जो परमाणु रूप से पतली धातु बनाने के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है, ”उन्होंने कहा।
सांचेज़-यमगिशी ने यह भी लिखा है कि नई तकनीक “अधिक महंगी और जटिल तकनीकों का उपयोग करके जो बनाया जा सकता है, उस पर पर्याप्त सुधार” का प्रतिनिधित्व करता है। चूंकि यह एक पहला प्रयास है, अधिक अवसर और साथ ही नई चुनौतियों का इंतजार है। उदाहरण के लिए, शोधकर्ता केवल एक ही नहीं, कई धातु प्रजातियों से बनी 2 डी शीट बनाने के लिए तकनीक का उपयोग करने के तरीकों की तलाश कर सकते हैं।
दूसरे के लिए, टीम द्वारा बनाई गई 2 डी शीट में बिस्मथ परमाणुओं की ज्यामितीय व्यवस्था इसे केवल विशेष परिस्थितियों में एक टोपोलॉजिकल इन्सुलेटर बनने की अनुमति देती है। भविष्य के शोध में कमरे-तापमान टोपोलॉजिकल इंसुलेटर बनाने के लिए तकनीक में सुधार किया जा सकता है-जिस तरह से 2023 रसायन विज्ञान के नोबेल पुरस्कार पुरस्कार विजेता ने दुनिया को बदल दिया जब उन्होंने क्वांटम डॉट्स बनाने के लिए एक सरल, विश्वसनीय तरीका खोजा। फिर भी एक और अवसर बड़े क्षेत्र की 2 डी धातुओं को बनाने की प्रक्रिया को फिर से भरना है।
अंततः, वैज्ञानिक खुद के बारे में 2 डी धातुओं के बारे में अधिक जानने के लिए खड़े हैं, विशेष रूप से अज्ञात गुण। सांचेज-यामागिशी ने लिखा, “अध्ययन में तैयार अन्य 2 डी धातुओं के इलेक्ट्रॉनिक गुणों के बारे में भी कम जाना जाता है।” “इन सामग्रियों की स्थिरता और बड़े आकार उन्हें अन्य सामग्रियों के साथ एकीकृत करने और नए विद्युत या फोटोनिक उपकरण बनाने के लिए कई संभावनाओं को खोलते हैं।”
प्रकाशित – 15 मई, 2025 05:30 पूर्वाह्न IST
