सेमी-मेटल टंगस्टन टेल्यूराइड - स्विस चाकू ऑफ़ नैनो टेक्नोलॉजी डे

आधुनिक दुनिया में, सेल फोन के साथ किसी को आश्चर्यचकित करना मुश्किल है, जिसमें से आप विशेष रूप से कॉल कर सकते हैं और एसएमएस भेज सकते हैं। अब हर कोई एक बोतल में सब कुछ चाहता है: दुनिया में कहीं से भी कॉल करता है, 4k वीडियो शूटिंग के लिए एक अच्छा कैमरा, एक अभेद्य मामला और एक बैटरी जो आधे जीवन के लिए पर्याप्त है। यह सिद्धांत न केवल रोजमर्रा की वस्तुओं पर लागू होता है, बल्कि रासायनिक तत्वों पर भी लागू होता है। कई वैज्ञानिक सबसे बहुमुखी तत्वों, मिश्र धातुओं, यौगिकों आदि की खोज कर रहे हैं जो सबसे अधिक ध्रुवीय गुणों को मिलाते हैं। आज हम एक अध्ययन से परिचित होंगे जिसमें वैज्ञानिकों ने सिद्ध किया कि टंगस्टन टेल्यूराइड (डब्ल्यूटीई ₂ ) में प्राकृतिक धातु और फेरोइलेक्ट्रिकिटी है, जबकि एक सेमीमेटल शेष है। इन सभी मुड़ शब्दों का क्या मतलब है, यह इतना अद्भुत क्यों है, और इसे व्यवहार में कहां से लागू किया जा सकता है? हम इस बारे में अनुसंधान समूह की रिपोर्ट से सीखते हैं। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री में एक बाहरी विद्युत क्षेत्र की अनुपस्थिति में भी एक सहज विद्युत द्विध्रुवीय क्षण (ध्रुवीकरण) होता है। यह सहज विद्युत द्विध्रुवीय क्षण बार-बार दो या अधिक ऊर्जावान समकक्ष अवस्थाओं या दिशाओं के बीच से गुजर सकता है जब एक बाहरी विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है, जो अध: पतन को नष्ट कर देता है और फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री के कई तकनीकी अनुप्रयोगों के मूलभूत आधार बनाता है। पीजोइलेक्ट्रिकिटी के लिए, एक गैर-सेंट्रोसिमेट्रिक क्रिस्टल संरचना एकमात्र आवश्यकता है।

लेकिन एक ध्रुवीय सामग्री के लिए, क्रिस्टल संरचना के नॉनसेंट्रोस्मेट्री के अलावा, एक अद्वितीय ध्रुवीय अक्ष मौजूद होना चाहिए। एक सामग्री को फेरोइलेक्ट्रिक माना जाता है, इसके लिए ध्रुवीय होना चाहिए और ध्रुवीय अक्ष के साथ ध्रुवीकरण की स्थिरता प्रदर्शित करनी चाहिए।

फेरोइलेक्ट्रिकिटी के गुणों को अक्सर धातुओं के बजाय इन्सुलेटर और अर्धचालक के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है। यह इस तथ्य के कारण है कि धातुओं में प्रवाहकत्त्व इलेक्ट्रॉन * लंबी दूरी के द्विध्रुवीय क्रम * से उत्पन्न होने वाले स्थैतिक आंतरिक क्षेत्रों को ढाल देता है।

चालकता इलेक्ट्रॉन * ऐसे इलेक्ट्रॉन होते हैं जो किसी क्रिस्टल में आवेश को स्थानांतरित करने में सक्षम होते हैं।

लंबी दूरी का क्रम * परमाणुओं या अणुओं का क्रम है, जो असीमित दूरी पर दोहराता है, जो लंबी दूरी के क्रम को छोटी दूरी के क्रम से अलग करता है।

और यहां वैज्ञानिक हमें अपेक्षाकृत हाल के दिनों में स्थानांतरित करते हैं। 1965 में, फिलिप एंडरसन और एडवर्ड ब्लांट, मार्टेन्सिटिक ट्रांसफॉर्मेशन पर समरूपता संबंधी विचार: फेरोइलेक्ट्रिक मेटल्स का काम? "जिसमें वे सामग्रियों की एक नई कक्षा का वर्णन करते हैं। यह सामग्री, जिसमें एक ध्रुवीय अक्ष के साथ एक धातु की विशेषताएं हैं और एक उलटा के साथ एक असममित क्रिस्टलीय संरचना है, को फेरोइलेक्ट्रिक धातु कहा जाता था। हालांकि, प्रयोगात्मक रूप से कमरे के तापमान की स्थिति में इन सैद्धांतिक गणनाओं की पुष्टि करना असंभव है, अगर यह असंभव नहीं है।

60 के दशक से, बहुत सारा पानी बह गया है, और विज्ञान की दुनिया समृद्ध हो गई है। आधुनिक अध्ययन धातु प्रणालियों के काफी सफल प्रयोगात्मक कार्यान्वयन को प्रदर्शित करने में सक्षम रहे हैं जिनकी संरचनाएं सेंट्रोसिमेट्री से नॉनसेंट्रोसमेट्री में संक्रमण से गुजरती हैं। ऐसी सामग्रियों में 140 K पर LiOO ₃ और 200 K पर Cd ₂ Re ₂ O _{7 शामिल हैं} ।

आज हम जिस काम पर विचार कर रहे हैं, उसमें वैज्ञानिकों ने थोक क्रिस्टलीय डब्ल्यूटीई ₂ पर ध्यान केंद्रित किया है, जो कमरे के तापमान पर प्राकृतिक धातु और फेरोइलेक्ट्रिकिटी को जोड़ती है। और विशेषताओं का ऐसा विलय, जैसा कि शोधकर्ता खुद कहते हैं, नैनो टेक्नोलॉजी के विकास में बेहद उपयोगी हो सकता है।

अनुसंधान के परिणाम

अब चलिए मज़ेदार हिस्से पर। डब्ल्यूटीई ₂ क्या है? जैसा कि हम पहले से ही जानते हैं, यह टंगस्टन टेल्यूराइड है। यह पदार्थ धातु डाइक्लोजेनाइड्स के संक्रमण के अंतर्गत आता है, जिसमें विभिन्न प्रकार की क्रिस्टलीय संरचनाएं होती हैं: हेक्सागोनल (2 एच), मोनोक्लिनिक (1 टी) और रोम्बिक (टीडी)।


चित्र संख्या 1

डब्ल्यूटीई ₂ के मामले में _, एक रोम्बिक क्रिस्टल संरचना ( 1 ए ) जगह लेती है, जिसमें टंगस्टन परमाणु (डब्लू) ऑक्टुरियम को टेल्यूरियम परमाणुओं (टीई) द्वारा समन्वित किया जाता है, और उन पर क्रमिक परतें 180 ° घूमती हैं। मजबूत इंटरमेटेलिक बॉन्ड के कारण, टंगस्टन परमाणु एक मामूली मोड़ के साथ ज़िगज़ैग चेन बनाते हैं, जिससे टेल्यूरियम ऑक्टाहेड्रा (प्रत्येक टंगस्टन परमाणु के आसपास) की विकृति होती है।

अष्टपद * आठ मुखों वाला एक पॉलीहेड्रॉन है।

छवि 1 बी एक्स-रे विवर्तन का एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण दिखाता है जिसमें सी अक्ष अभिविन्यास है। विवर्तन 2 (00l) डब्ल्यूटीई ₂ में टीडी के एकल क्रिस्टलीय चरण की उपस्थिति की पुष्टि करते हैं, अर्थात्, एक रंबिक क्रिस्टल संरचना। टीडी चरण में उलटा समरूपता की अनुपस्थिति ने डब्ल्यूईटी ₂ को एक प्रकार द्वितीय वेइल सेमीमीटर के रूप में पहचानना संभव बना दिया।

डब्ल्यूटीई ₂ और अन्य संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड्स के बीच मुख्य अंतर तथ्य यह है कि डब्ल्यूटीई ₂ अपनी जमीन की स्थिति में एक अर्धवृत्ताकार है, न कि अर्धचालक।

इलेक्ट्रिक चार्ज ट्रांसफर ( 1 सी ) के मापन ने डब्ल्यूटीई ₂ के सेमीमेटल ग्राउंड स्टेट की पुष्टि की। प्रतिरोध में कमी को कमरे के तापमान से 10 K तक तापमान में कमी के साथ भी नोट किया जाता है, जो धातु प्रणालियों की विशेषता है। और 10 T तक के चुंबकीय क्षेत्र के साथ 30 mK पर मैग्नेटोरेसिस्टेंस के माप में चार मौलिक आवृत्तियों ( 1D और 1E ) के साथ स्पष्ट शुबनिकोव-डे हास दोलनों को दिखाया गया है, जो इलेक्ट्रॉनिक और होल पॉकेट के दो सेटों से मिलकर चार फर्मी की पुष्टि के रूप में कार्य करता है। छेद और मुक्त इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति WTe ₂ में बहुत अधिक असंतृप्त चुंबकत्व का स्रोत हो सकती है।

तो, 30 mK तक की एक धातु की चालकता है, और गैरसेंट्रोसमेट्री, हालांकि आवश्यक है, फेरोइलेक्ट्रिकिटी के लिए अपर्याप्त है। इसे देखते हुए, वैज्ञानिक यह सवाल पूछते हैं - क्या एक गैर-सममितीय अंतरिक्ष समूह के साथ एक फेरोमेइलेक्ट्रिक एक सेमीमेटल डब्ल्यूटीई _{2 है} ?

शोधकर्ताओं ने पीजोइलेक्ट्रिक बल माइक्रोस्कोपी (पीएफएम) का उपयोग करते हुए इस महत्वपूर्ण प्रश्न के उत्तर की खोज की, जो कि डोमेन के माइक्रोस्ट्रक्चर का अध्ययन करने और शास्त्रीय फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री में ध्रुवीकरण गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए उत्कृष्ट है। इस प्रकार की माइक्रोस्कोपी लागू किए गए पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग करती है और लागू विद्युत क्षेत्र के कारण जाली विरूपण का पता लगाती है।

अध्ययन के तहत नमूने कई दसियों micrometers ( 2A और 2B ) की मोटाई के साथ WTe _{2 के} छोटे एकल-क्रिस्टल टुकड़े थे।


चित्र संख्या 2

सभी मापदंडों को एक निष्क्रिय शुष्क वातावरण में कमरे के तापमान पर मापा गया था। छवियों 2C - 2H नमूनों के पीजोइलेक्ट्रिक बल माइक्रोस्कोपी की छवियों को दिखाते हैं, जो एंटीपैरल समानांतर फेरोइलेक्ट्रिक डोमेन की उपस्थिति की पुष्टि करते हैं, जिनमें से औसत आकार 20 से 50 एनएम तक भिन्न होता है। नमूनों की सतह को ~ 0.2 एनएम ( 2C ) के मूल औसत वर्ग खुरदरेपन के साथ परमाणु रूप से सपाट माना जाता है। अंडाकार डोमेन ( 2 जी और 2 एच ) के अलावा, स्ट्रिप जैसे डोमेन का भी पता लगाया गया ( 2 डी पर तीर द्वारा चिह्नित)।

सेमीमेटल डब्ल्यूटीई ₂ सिंगल क्रिस्टल में डोमेन के इन टिप्पणियों से संकेत मिलता है कि डब्ल्यूटीई _{2 में} न केवल एक ध्रुवीय अक्ष ( सी अक्ष) है, बल्कि इसमें बस्टेबल ध्रुवीकरण राज्य भी हैं, जो खुद को स्थैतिक एंटीपैरल समानांतर डोमेन के रूप में प्रकट करते हैं। और यह, बदले में, पूरी तरह से कमरे के तापमान पर सेमीमेटल विट ₂ में फेरोइलेक्ट्रिकिटी की उपस्थिति को साबित करता है।

डब्ल्यूटीई ₂ का एक महत्वपूर्ण संकेतक इसकी स्थिरता है। डब्ल्यूटीई ₂ की सतह काफी संवेदनशील है और हवा में ऑक्सीकरण से गुजर सकती है। वेट ₂ सतह पर द्वितीयक W - O (WO _x ) और Te - O (TeO ₂ ) बॉन्ड की रिहाई के परिणामस्वरूप सतह ऑक्साइड का गठन किया जाता है। डब्ल्यूटीई ₂ का ऑक्सीकरण एक आत्म-सीमित प्रक्रिया है और लगभग 2 एनएम की मोटाई के साथ एक अनाकार सतह ऑक्साइड परत के गठन की ओर जाता है।

बहुपरत नमूनों की तुलना में बल्क क्रिस्टल और अपेक्षाकृत मोटी डब्ल्यूटीई ₂ नमूने हवा में अधिक स्थिर हैं, विशेष रूप से एकल-परत और दो-परत डब्ल्यूटीई ₂ । इसके अलावा, अनाकार सामग्री में कोई ध्रुवीय स्थानिक समूह नहीं है, और फेरोइलेक्ट्रिकिटी नहीं हो सकती है, क्योंकि यह केवल क्रिस्टलीय सामग्री में मौजूद है।

फेरोइलेक्ट्रिक्स का एक और भी महत्वपूर्ण विशेषता बाहरी विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके ध्रुवीकरण का पुनर्संचालन है। समस्या यह है कि, फेरोइलेक्ट्रिक्स को इन्सुलेट करने के विपरीत, इसकी उच्च चालकता के कारण ड्यूटे ₂ में ध्रुवीकरण को स्विच करना अधिक कठिन है: लागू पूर्वाग्रह ध्रुवीय विकृतियों को प्रभावित करने के बजाय एक विद्युत प्रवाह को प्रेरित करता है।

संपर्कों के बीच एक ढांकता हुआ परत को पेश करके इस समस्या को हल किया जा सकता है, जो डब्ल्यूटीई _{2 के} लिए एक विद्युत क्षेत्र को लागू करने और फेरोइलेक्ट्रिक स्विचिंग को साकार करने की अनुमति देगा।


चित्र संख्या 3

इस तरह के एक कॉन्फ़िगरेशन को प्राप्त करने और डब्ल्यूटीई ₂ में टिप से सीधे चार्ज की संभावना को बाहर करने के लिए, संधारित्र ज्यामिति ( 3 ए ) के साथ पतली फिल्मों के नमूने तैयार किए गए थे। इस संरचना में, वर्तमान को फेरोइलेक्ट्रिक / धातु इंटरफ़ेस में ढांकता हुआ परत द्वारा अवरुद्ध किया जाता है, क्योंकि धातु के जमाव से बहुत पतली ऑक्साइड परत बनने से पहले डब्ल्यूटीई ₂ नमूने की सतह को हवा में उजागर किया जाता है।

चित्रा 3 बी एक टीआई / एयू लेपित सिलिकॉन सब्सट्रेट की सतह पर एक डब्ल्यूटीई ₂ धातुकृत वेफर दिखाता है। डब्ल्यूटीई ₂ प्लेट की मोटाई 15 एनएम है, और ऊपरी टीआई / एयू धातु इलेक्ट्रोड की मोटाई 9.5 एनएम है। इस प्रकार, इस विन्यास में बहुत प्रवाह को देखा जाता है, इस तथ्य के बावजूद कि डब्ल्यूटीई ₂ प्लेट धातु है।

अब यह प्रदर्शित करना आवश्यक था कि डब्ल्यूटीई ₂ के फेरोइलेक्ट्रिक ध्रुवीकरण का स्विचिंग वास्तविक है। इसके लिए, कैपेसिटर ज्यामिति में ऊपरी इलेक्ट्रोड के माध्यम से स्पेक्ट्रोस्कोपिक पीएफएम माप किए गए थे, जो कि उप-इलेक्ट्रोड के पीएफएम माप के लिए पहले सफलतापूर्वक उपयोग किया गया था। लागू पूर्वाग्रह ( 3 सी और 3 डी ) के एक समारोह के रूप में प्राप्त पीजोइलेक्ट्रिक प्रतिक्रिया एक switchable हिस्टैरिसीस व्यवहार को दर्शाती है, जो पारंपरिक फेरोइलेक्ट्रिक्स BaTiO ₃ और Pb (Zr _x Ti _1-x ) O ₃ में भी पाया जाता है।

छवियों 3E - 3 जी में , पूर्वाग्रह द्वारा नियंत्रित विपरीत उन्मुख अवशिष्ट ध्रुवीकरण स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। वैज्ञानिकों ने ध्यान दिया कि डब्ल्यूटीई ₂ के एंटीपैरल समानांतर ध्रुवीकरण राज्यों के बीच इस तरह के स्विचिंग को बार-बार किया जा सकता है।

अध्ययन की बारीकियों (विशेष रूप से सैद्धांतिक गणना के साथ) के बारे में अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मेरा सुझाव है कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट देखें ।

उपसंहार

इस काम में, वैज्ञानिकों ने 1965 में वर्णित फेरोइलेक्ट्रिक धातुओं की अवधारणा को लागू करने में सक्षम थे। गणना और सिद्धांतों की पुष्टि नमूना के एक व्यावहारिक अध्ययन द्वारा की गई थी, जिसकी भूमिका वेल सेमीमेटल विट ₂ द्वारा निभाई गई थी।

बल्क क्रिस्टलीय डब्ल्यूटीई ₂ द्विध्रुवीय ध्रुवीकरण प्रदर्शित करता है जो बाहरी विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में स्विच करता है। इस प्रकार, फेरोइलेक्ट्रिकिटी डब्ल्यूटीई ₂ की एक थोक संपत्ति है और यह एकल-परत नमूनों तक सीमित नहीं है।

वैज्ञानिकों का इरादा अन्य धातु स्तरित सामग्रियों में फेरोइलेक्ट्रिसिटी का अध्ययन जारी रखना है, क्योंकि वे भविष्य में नैनो-प्रौद्योगिकी का एक महत्वपूर्ण तत्व बन सकते हैं, विशेष रूप से अल्ट्रा-कम ऊर्जा खपत वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए।

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