گرافین ربنز ٹوئسٹرونکس کو آگے بڑھاتے ہیں – فزکس ورلڈ

گرافین ربنز ٹوئسٹرونکس کو آگے بڑھاتے ہیں – فزکس ورلڈ

ٹائم سٹیمپ: 19 ستمبر 2023 صبح 4:27 بجے

ایک مڑے ہوئے گرافین ربن، خاکستری رنگ میں، ایک اور گرافین شیٹ کے خلاف فلیٹ بچھا ہوا دکھایا گیا ہے۔ ربن کی تہہ ایک ایسی شکل میں جھکی ہوئی ہے جو نیم سرکلر محراب سے ملتی جلتی ہے۔
منحنی خطوط پر: ایک مڑے ہوئے گرافین ربن، خاکستری رنگ میں، ایک اور گرافین شیٹ کے خلاف فلیٹ بچھا ہوا دکھایا گیا ہے۔ اوپر والے ربن اور نیچے کی چادر کے درمیان موڑ کے زاویے میں مسلسل تبدیلی ہوتی رہتی ہے۔ کچھ جگہوں پر دو چادروں کی جوہری جالی ایک دوسرے کے ساتھ 0° زاویہ پر قطار میں ہوتی ہے، جب کہ کچھ جگہوں پر، وہ ایک دوسرے کے مقابلے میں 5° تک مڑ جاتے ہیں۔ (بشکریہ: کوری ڈین، کولمبیا یونیورسٹی)

گرافین کے ربن، مربعوں کے بجائے، غیر معمولی الیکٹرانک اثرات کی تحقیقات کے لیے ایک بہتر پلیٹ فارم بنا سکتے ہیں جو دو جہتی (2D) مواد کی ملحقہ تہوں کو گھما کر اور دبانے سے پیدا ہوتے ہیں۔ یہ امریکہ، ڈنمارک، فرانس اور جاپان کے سائنسدانوں کی تلاش ہے، جن کا نقطہ نظر پچھلے "ٹوئسٹرونکس" مطالعات سے نمایاں طور پر مختلف ہے جس میں مواد کے دو فلیکس کو ایک دوسرے کے حوالے سے موڑنے اور پھر ان کو اسٹیک کرنے پر توجہ دی گئی تھی۔ ٹیم کے مطابق، ربن پر مبنی نئی تکنیک محققین کو موڑ کے زاویے پر بہتر کنٹرول دے سکتی ہے، جس سے الیکٹرانک اثرات کا مطالعہ کرنا آسان ہو جاتا ہے۔

حالیہ برسوں میں، محققین نے پایا ہے کہ وہ 2D مواد کی الیکٹرانک خصوصیات کو ایک دوسرے کے اوپر ان مواد کی تہوں کو اسٹیک کرکے اور ان کے درمیان زاویہ کو مختلف کرکے تبدیل کرسکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، گرافین کے ایک بلیئر میں عام طور پر بینڈ گیپ نہیں ہوتا ہے، لیکن جب یہ کسی دوسرے 2D مواد، ہیکساگونل بوران نائٹرائڈ (hBN) کے ساتھ رابطے میں رکھا جاتا ہے تو یہ ایک بن جاتا ہے۔

یہ تبدیلی اس لیے ہوتی ہے کیونکہ hBN کی جالی مستقل - اس کے ایٹموں کو کس طرح ترتیب دیا جاتا ہے اس کا پیمانہ - تقریباً گرافین جیسا ہی ہے، لیکن کافی نہیں۔ گرافین اور ایچ بی این کی قدرے مماثل پرتیں ایک بڑا ڈھانچہ تشکیل دیتی ہیں جسے موئیر سپرلیٹس کہا جاتا ہے، اور اس سپر لیٹیس میں قریبی ایٹموں کے درمیان تعاملات ایک بینڈ گیپ کو بننے دیتے ہیں۔ اگر تہوں کو پھر اس طرح موڑا جاتا ہے کہ وہ مزید غلط طریقے سے منسلک ہو جائیں اور ان کے درمیان زاویہ بڑا ہو جائے تو بینڈ گیپ غائب ہو جاتا ہے۔ اسی طرح، گرافین کو اپنے طور پر نیم دھاتی سے نیم موصل اور یہاں تک کہ سپر کنڈکٹنگ تک انفرادی گرافین تہوں کے درمیان زاویہ پر منحصر کیا جا سکتا ہے۔

روایتی مواد میں الیکٹرانک خصوصیات کی اس قسم کو حاصل کرنے کے لیے، سائنسدانوں کو عام طور پر ڈوپینٹس، یا جان بوجھ کر نجاست متعارف کروا کر اپنی کیمیائی ساخت کو تبدیل کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ صرف تہوں کے درمیان موڑ کے زاویے کو تبدیل کرکے 2D مواد میں ایسا کرنے کے قابل ہونا اس لیے ڈیوائس انجینئرنگ میں بنیادی طور پر ایک نئی سمت ہے، اور اسے "ٹوئسٹرونکس" کا نام دیا گیا ہے۔

مسئلہ یہ ہے کہ موڑ کے زاویوں اور اس سے منسلک تناؤ کو کنٹرول کرنا مشکل ہے، مطلب یہ ہے کہ نمونے کے مختلف حصوں میں تکلیف سے مختلف الیکٹرانک خصوصیات ہوسکتی ہیں۔ تازہ ترین کام میں، کی قیادت میں ایک ٹیم کوری ڈین of کولمبیا یونیورسٹی امریکہ میں ایچ بی این کی ایک تہہ کے اوپر ربن کی شکل کی گرافین کی تہہ (ایک مربع فلیک کی بجائے) رکھ کر اور پیزو ایٹمک فورس مائکروسکوپ کا استعمال کرتے ہوئے ربن کے ایک سرے کو آہستہ آہستہ موڑ کر اس مسئلے پر قابو پایا۔ نتیجے میں بننے والے ڈھانچے میں ایک موڑ کا زاویہ ہوتا ہے جو اس نقطہ سے مسلسل مختلف ہوتا ہے جہاں سے ربن اپنے سرے تک جھکنا شروع کر دیتا ہے۔ اور تناؤ میں بے قابو تغیرات کے بجائے، نمونے میں اب ایک یکساں تناؤ پروفائل ہے جس کا اندازہ مڑے ہوئے ربن کی باؤنڈری شکل سے مکمل طور پر لگایا جا سکتا ہے۔

زاویہ اور تناؤ کے میلان کو برقرار رکھنا

ان کے تجربات میں، جن کی تفصیل میں ہے۔ سائنس، ڈین اور ساتھیوں نے گرافین کی تہوں میں سے ایک کو ایک ایسی شکل میں موڑ دیا جو نیم سرکلر محراب سے مشابہ ہے۔ پھر انہوں نے اس تہہ کو ایک سیکنڈ کے اوپر، بغیر جھکا، تہہ پر رکھا۔ "جب اس انداز میں ایک ساتھ رکھا جاتا ہے تو ہم جان بوجھ کر قوس کے ساتھ ایک زاویہ میلان اور آرک کے پار ایک تناؤ کا میلان متعارف کرواتے ہیں،" ڈین بتاتے ہیں۔ "ہمیں معلوم ہوتا ہے کہ مقامی موڑ کے زاویہ یا تناؤ میں بے ترتیب اتار چڑھاؤ کی اجازت دینے کے بجائے، مشترکہ دو تہیں زاویہ اور تناؤ کے میلان کو برقرار رکھتی ہیں جو ہم موڑنے کے عمل کے دوران فراہم کرتے ہیں۔"

تاہم، گرافین ربن کو موڑنا آسان نہیں ہے۔ محققین نے سب سے پہلے گرافین کے ایک بڑے ٹکڑے سے ایک ربن کاٹ کر ایٹمی قوت مائکروسکوپی (AFM) پر مبنی عمل کا استعمال کرتے ہوئے اس کا انتظام کیا۔ اس کے بعد، انہوں نے ایک کثیر پرت سے ایک الگ "سلائیڈر" تیار کیا، گریفائٹ کے بلک ٹکڑا جس میں بیرونی کنارے پر ہینڈلز کے ساتھ گھڑے ہوئے گول ڈسک پر مشتمل تھا۔ اس سلائیڈر کو پھر ربن کے ایک سرے پر رکھا گیا اور AFM ٹپ کے اختتام کا استعمال کرتے ہوئے اس کے پار دھکیل دیا گیا۔ "سلائیڈر کو AFM ٹپ کے ذریعے کنٹرول کیا جا سکتا ہے اور ربن کی شکل میں جھک جانے کے بعد اسے ہٹایا جا سکتا ہے،" ڈین بتاتے ہیں۔

اس عمل کی ایک اہم خصوصیت یہ ہے کہ جب ایچ بی این پر رکھا جاتا ہے تو گرافین ربن کا انٹرفیشل رگڑ نسبتاً کم ہوتا ہے، یعنی اسے بوجھ کے نیچے جھکایا جا سکتا ہے، پھر بھی اتنا اونچا ہوتا ہے کہ جب بوجھ جاری ہوتا ہے تو ربن اپنی مڑی ہوئی شکل کو برقرار رکھ سکے۔

ربن کس حد تک جھک جائے گا اس کا انحصار ربن کی لمبائی اور چوڑائی پر ہے اور AFM ٹپ کے ذریعے اس کے سرے پر کتنی طاقت لگائی جاتی ہے۔ محققین نے پایا کہ لمبے، تنگ ربن (یعنی بڑے پہلو کے تناسب والے ربن) کو کنٹرول شدہ طریقے سے موڑنا سب سے آسان ہے۔

"مبوڑے زاویہ کے مرحلے کے خاکے تک بے مثال رسائی"

ڈین نے بتایا کہ تناؤ اور موڑ دونوں زاویوں کو مسلسل ٹیون کرنے کے قابل ہونے سے محققین کو مڑے ہوئے زاویوں کے "فیز ڈایاگرام" تک بے مثال رسائی ملے گی۔ طبیعیات کی دنیا. "ٹوئسٹڈ بائلیئر کا الیکٹرانک بینڈ ڈھانچہ ٹوئسٹ اینگل کے لیے انتہائی حساس ہے، مثال کے طور پر، 'جادوئی زاویہ' کو 1.1° ڈگری کے صرف دسویں حصے کے ساتھ بیان کیا گیا ہے۔ سست اور قابل کنٹرول موڑ کا مطلب ہے کہ ہم اس انحصار کو ایک ہی ڈیوائس میں اس درستگی پر نقشہ بنا سکتے ہیں جو پہلے ممکن نہیں تھا۔

اور یہ سب کچھ نہیں ہے: چونکہ جادوئی زاویہ بیلیئر گرافین سسٹمز پر تناؤ کا کردار تجرباتی طور پر تقریباً مکمل طور پر نامعلوم ہے، اس لیے نئی تکنیک اسے تولیدی طریقے سے ماپنے کا پہلا موقع فراہم کرتی ہے۔ ڈین کہتے ہیں، "تکنیکی طور پر، یہ خیال کہ سٹرین گریڈینٹ متعارف کرانے سے بے ترتیب موڑ کے زاویہ کی مختلف حالتوں کو دبانے میں مدد مل سکتی ہے، ہمارے لیے ایک غیر متوقع حیرت تھی۔" "یہ دلچسپ خیالات کو کھولتا ہے کہ کس طرح انٹرپلے اسٹرین انجینئرنگ اور مقامی طور پر کنٹرول شدہ زاویہ تغیرات کو بٹی ہوئی پرت کے نظاموں میں الیکٹرانک بینڈ کی ساخت پر مزید کنٹرول حاصل کرنے کے لئے۔"

کولمبیا کی ٹیم اب نقل و حمل اور اسکین پروب اسپیکٹروسکوپی کے امتزاج کا استعمال کرتے ہوئے بٹی ہوئی بیلیئر گرافین میں جادو زاویہ کی حد کے ارد گرد تناؤ کے زاویہ کے مرحلے کے خاکہ کو نقشہ بنا رہی ہے۔ محققین یہ بھی تلاش کر رہے ہیں کہ آیا وہ اس تکنیک کو دوسرے 2D میٹریل سسٹم پر لاگو کر سکتے ہیں۔ سیمی کنڈکٹرز میں، مثال کے طور پر، موڑنے سے excitons (الیکٹران ہول جوڑے) کی رہنمائی اور فنل ہو سکتا ہے، جبکہ مقناطیسی 2D سسٹم میں، یہ غیر معمولی مقناطیسی ساخت بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ "آخر میں، ہم الیکٹرو سٹیٹک یا دیگر غیر میکانی ذرائع سے موڑنے کے طریقے تلاش کر رہے ہیں،" ڈین نے انکشاف کیا۔ "یہ بائلیئر سسٹمز میں موڑ کے زاویہ کے اندر موجود متحرک کنٹرول کی اجازت دے سکتے ہیں۔"

ٹائم اسٹیمپ:

سے زیادہ طبیعیات کی دنیا