आणविक परत निक्षेपण: Difference between revisions

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आणविक परत निक्षेपण (एमएलडी) एक वाष्प अवस्था की पतली परत निक्षेपण तकनीक है जो क्रमबद्ध रूप से की गई स्व-सीमित सतह प्रतिक्रियाओं पर आधारित है।[1] सामान्यतः आणविक परत निक्षेपण तकनीक परमाणु परत निक्षेपण (एएलडी) की अच्छी तरह से स्थापित तकनीक के अनुरूप है, जबकि परमाणु परत निक्षेपण तकनीक विशेष रूप से अकार्बनिक लेपन तक ही सीमित है। आणविक परत निक्षेपण में अभिकारक रसायन विज्ञान के छोटे द्वि-क्रियात्मक कार्बनिक अणुओं का भी उपयोग किया जा सकता है। यह बहुलकीकरण जैसी प्रक्रिया में कार्बनिक परतों के विकास के साथ कार्बनिक या अकार्बनिक हाइब्रिड पदार्थ बनाने के लिए नियंत्रित रूप से दोनों प्रकार के निर्मित ब्लॉकों को एक साथ जोड़ने में सक्षम होता है।

आणविक परत निक्षेपण पतली परत के क्षेत्र में एक ज्ञात तकनीक है। इसके सापेक्ष हाइब्रिड पदार्थ होने के कारण इसके अकार्बनिक परमाणुओ की परमाणु परत निक्षेपण के रूप में खोज नहीं की गई है। सामान्यतः इसके आगामी वर्षों में व्यापक क्षेत्र के विकास की संभावना है।

इतिहास

आणविक परत निक्षेपण परमाणु परत निक्षेपण की एक सहयोगी तकनीक है। जबकि परमाणु परत निक्षेपण का इतिहास 1970 के दशक का है, जिसका श्रेय वैलेन्टिन बोरिसोविच एलेस्कोवस्की और तुओमो सनटोला के स्वतंत्र कार्य को जाता है।[2][3] कार्बनिक अणुओं के साथ पहला आणविक परत निक्षेपण प्रयोग 1991 तक प्रकाशित नहीं हुआ था, जब टेटसुज़ो योशिमुरा और उनके सहकर्मियों का एक लेख सामने आया था।[4] जिसमें अभिकारकों के रूप में एमाइन और एनहाइड्राइड का उपयोग करके पॉलीमाइड के संश्लेषण के विषय में बताया गया था।[5][6] 1990 के दशक में कार्बनिक यौगिकों पर कुछ कार्य करने के बाद परमाणु परत निक्षेपण और आणविक परत निक्षेपण दोनों तकनीकों के संयोजन की हाइब्रिड पदार्थों से संबंधित पहला पेपर सामने आया था। तब से आणविक परत निक्षेपण पर प्रति वर्ष प्रस्तुत लेखों की संख्या में निरंतर वृद्धि हुई है और निक्षेपण परतों की एक अधिक विविध श्रृंखला देखी गई है। सामान्यतः जिसमें पॉलियामाइड्स,[7][8][9] पॉलीइमाइन्स[10] और पॉल्यूरिया[11] सम्मिलित हैं जो पॉलिथियोरिया[12] और कॉपोलिमर हाइब्रिड परतो के निक्षेपण में विशेष रुचि रखते हैं।[13]

क्रियाविधि

परमाणु परत निक्षेपण प्रक्रिया के समान आणविक परत निक्षेपण प्रक्रिया के समय अभिकारकों को अनुक्रमिक या चक्रीय प्रकार से स्पंदित किया जाता है और सभी गैस-ठोस प्रतिक्रियाएं प्रतिस्थापन पर स्व-सीमित होती हैं। इनमें से प्रत्येक चक्र को आणविक परत निक्षेपण चक्र कहा जाता है और परत वृद्धि को प्रति चक्र वृद्धि (जीपीसी) के रूप में मापा जाता है, जिसे सामान्यतः एनएम/चक्र या Å/चक्र में व्यक्त किया जाता है।[1] एक मॉडल दो पूर्ववर्ती प्रयोग के समय आणविक परत निक्षेपण चक्र निम्नानुसार आगे बढ़ता है:

सबसे पहले निर्माता द्वारा अभिकारक 1 को परमाणु भट्टी में स्पंदित किया जाता है, जहां यह प्रारूप सतह पर सतह की प्रजातियों के साथ प्रतिक्रिया और केमिसोर्ब (रसोवशोषित) करता है। एक बार जब सभी अधिशोषण वाली क्षेत्र अधिकृत हो जाते हैं और संतृप्ति अभिगम्य हो जाती है तब कोई और पूर्ववर्ती प्रयोग संलग्न नहीं होता है। इसके अतिरिक्त निर्माता अणुओं और उत्पन्न उप-उत्पादों को परमाणु भट्टी से वापस ले लिया जाता है या तो अक्रिय गैस से शुद्ध करके या परमाणु भट्टी कक्ष को नीचे पंप करता है। यह केवल तभी करता है जब चैम्बर को अक्रिय गैस से ठीक से शुद्ध किया गया हो या आधार दाब (~ 10−6 एमबार दूरी) तक पंप किया गया हो और पिछले कक्ष के सभी अवांछित अणुओं को पृथक कर दिया गया हो, तब अभिकारक 2 को प्रस्तुत किया जा सकता है।[14] अन्यथा प्रक्रिया सीवीडी-प्रकार की वृद्धि का जोखिम उत्पन्न कर सकती है, जहां दो पूर्ववर्ती प्रारूप सतह से जुड़ने से पहले गैसीय अवस्था में प्रतिक्रिया करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप विभिन्न विशेषताओं के साथ एक लेपन प्रतिक्रिया होती है।

इसके बाद अभिकारक 2 स्पंदित होता है, जो सतह पर स्थित पिछले अभिकारक 1 के अणुओं के साथ प्रतिक्रिया करता है। यह सतह प्रतिक्रिया फिर से स्व-सीमित होती है और परमाणु भट्टी के आधार दाब को फिर से शुद्ध पंप करने के बाद सतह समूहों के साथ समाप्त होने वाली एक परत को पीछे छोड़ देती है जो अगले कक्ष में अभिकारक 1 के साथ फिर से प्रतिक्रिया कर सकती है। आदर्श स्थिति में एमएलडी चक्र के पुनरावृत्ति समय में मोनोएटोमिक परत में एक कार्बनिक/अकार्बनिक परत का निर्माण होता है जो शुद्ध मोटाई नियंत्रण और परत शुद्धता के साथ अत्यधिक अनुरूप लेप को सक्षम करता है।[14]

यदि परमाणु परत निक्षेपण और आणविक परत निक्षेपण को मिश्रित कर दिया जाए, तो व्यापक श्रेणी में अधिक अभिकारकों जैसे अकार्बनिक और कार्बनिक दोनों का उपयोग किया जा सकता है।[3][5] इसके अतिरिक्त अन्य प्रतिक्रियाओं जैसे प्लाज्मा या पूर्ण एक्सपोज़र को भी एएलडी/एमएलडी चक्रों में सम्मिलित किया जा सकता है। इसी प्रकार एएलडी और एमएलडी चक्रों की संख्या और चक्रों के भीतर निहित चरणों को समायोजित करके एक प्रयोग को अनुसंधान आवश्यकताओं के अनुसार स्वतंत्र रूप से अनुकूलित किया जा सकता है।[14]

रासायनिक प्रक्रिया और सतह प्रतिक्रियाएँ

आणविक परत निक्षेपण में रासायनिक अभिकारक एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। अभिकारक अणुओं के रासायनिक गुणों को हाइब्रिड पदार्थ के संघटन, संरचना और स्थिरता को संचालित करते हैं। कम समय में संतृप्ति चरण तक अभिगमन और उपयुक्त निक्षेपण दर को सुनिश्चित करने के लिए अभिकारकों को सतह पर केमिसोर्ब करना होता है। जिससे सतह सक्रिय समूहों मे एक दूसरे अणुओं के साथ तीव्रता से प्रतिक्रिया करती है। जिसके लिए सामान्यतः वांछित एमएलडी प्रतिक्रियाओं का बड़ा ऋणात्मक मान ∆G आवश्यक होता है।[15][16]

कार्बनिक यौगिकों को आणविक परत निक्षेपण के अभिकारक के रूप में नियोजित किया जाता है। उनके प्रभावी उपयोग के लिए अभिकारक के पास गैस अवस्था में विघटित हुए अतिरिक्त प्रतिक्रिया क्षेत्र में ले जाने के लिए पर्याप्त वाष्प दाब और ऊष्मीय स्थिरता होनी चाहिए। अस्थिरता आणविक भार और अंतर-आणविक अंतःक्रियाओं से प्रभावित होती है। एमएलडी में चुनौतियों में से एक ऐसे कार्बनिक अभिकारक को खोजना है, जिसमें पर्याप्त वाष्प दाब, प्रतिक्रियाशीलता और ऊष्मीय स्थिरता हो। अधिकांश कार्बनिक अभिकारकों में अपेक्षाकृत कम अस्थिरता होती है और प्रतिस्थापन तक वाष्प की पर्याप्त आपूर्ति सुनिश्चित करने के लिए ऊष्मा आवश्यक है। कार्बनिक अभिकारकों मे अपेक्षाकृत नम्यता हो सकती है अर्थात स्निग्ध या जटिल कार्यात्मक समूहों के साथ नियोजित सुगंधित कार्बनिक अभिकारक सामान्यतः -OH, -COOH, -NH2, -CONH2, -CHO, -COCl, -SH, -CNO, -CN, एल्कीन आदि कार्यात्मक समूहों के साथ सम या विषमलैंगिक अणु होते हैं। निरंतर परत विकास के लिए अभिकारकों की द्विकार्यात्मक प्रकृति आवश्यक है क्योंकि एक समूह से सतह के साथ प्रतिक्रिया करने की संभावना की जाती है और दूसरा सह-अभिकारक की अगली पल्स के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए सुलभ होता है। संलग्न कार्यात्मक समूह अभिकारक की प्रतिक्रियाशीलता और बंधन मोड में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं और उन्हें सतह पर सम्मिलित कार्यात्मक समूहों के साथ प्रतिक्रिया करने में सक्षम होना बनाते हैं। सामान्यतः नम्य अभिकारक पिछले समन्वय द्वारा सतत और घनी परत के विकास में बाधा उत्पन्न कर सकते है और प्रतिक्रियाशील क्षेत्रों को अवरुद्ध कर सकते है। इस प्रकार परत की वृद्धि दर अपेक्षाकृत कम हो सकती है और उपरोक्त सभी आवश्यकताओं को पूरा करने वाले आणविक परत निक्षेपण अभिकारक को खोजने के लिए कोई स्पष्ट प्रक्रिया नहीं है। [17]

सतह समूह प्रतिक्रिया मध्यवर्ती रासायनिक प्रतिक्रिया के रूप में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं। जिसमे सामान्यतः हाइड्रॉक्सिलेटेड या हाइड्रोजन समाप्त हो जाते है और हाइड्रॉक्सिल धातुओं के साथ संघनन प्रतिक्रियाओं के लिए प्रतिक्रियाशील लिंकर के रूप में कार्य करता है। अकार्बनिक अभिकारक संबंधित लिंकिंग रसायन विज्ञान के माध्यम से सतह प्रतिक्रियाशील समूहों के साथ प्रतिक्रिया करता है जिससे नए ओ- धात्विक बंध का निर्माण होता है। धातु अभिकारक चरण सतह समाप्ति को परिवर्तित कर देते है, जिससे सतह कार्बनिक अभिकारक के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए तैयार नए प्रतिक्रियाशील क्षेत्रों के साथ निकल जाते है। कार्बनिक अभिकारक परिणामी सतह पर धातु स्थलों के साथ सहसंयोजक रूप से जुड़कर प्रतिक्रिया करता है और धातु लिगेंड प्रस्तुत करता है। अगली पल्स के लिए तैयार अणु एक प्रतिक्रियाशील आणविक परत छोड़ता है। जिसमे प्रत्येक अधिशोषित चरण के बाद उत्पाद प्रारम्भ होता हैं। सामान्यतः प्रतिक्रियाओं की व्याख्या संक्षेप मे नीचे दी गई है।[18]

प्रक्रिया संबंधी विचार

आणविक परत निक्षेपण की प्रक्रिया निष्पादित करते समय एएलडी के एक प्रकार के रूप में पर्याप्त शुद्धता और विकास दर के साथ वांछित परत प्राप्त करने के लिए कुछ दृष्टिकोणों को ध्यान में रखा जाना आवश्यक होता है।

संतृप्तीकरण

प्रतिक्रिया प्रारम्भ करने से पहले शोधकर्ता को यह अवश्य जानना चाहिए कि डिज़ाइन की गई प्रक्रिया से संतृप्त या असंतृप्त स्थितियाँ प्राप्त होंगी या नहीं प्राप्त होंगी।[19] यदि यह जानकारी अज्ञात है तो शुद्ध परिणाम प्राप्त करने के लिए इसे जानना प्राथमिकता है। यदि लंबे समय तक पूर्ववर्ती स्पंदन समय की स्वीकृति नहीं है तो पप्रारूप की सतह प्रतिक्रियाशील क्षेत्रों के पास गैसीय अणुओं के साथ प्रतिक्रिया करने और एक मोनोलेयर बनाने के लिए पर्याप्त समय नहीं होगा, जो प्रति चक्र (जीपीसी) में अपेक्षाकृत कम वृद्धि में अनुवादित होगा। इस समस्या को हल करने के लिए एक संतृप्ति प्रयोग किया जा सकता है। जहां परत के विकास का संरक्षण अलग-अलग अभिकारकों के स्पंदन समय पर किया जाता है, जिससे जीपीसी की पुनः संतृप्ति स्थितियों को खोजने के लिए स्पंदन समय के विरुद्ध अभिकारकों को आलेखित किया जाता है।[19] इसके अतिरिक्त अपेक्षाकृत बहुत कम शुद्धिकरण समय के परिणामस्वरूप परमाणु भट्टी कक्ष में पूर्ववर्ती अणु शेष रह जाते है, जो अगले चरण के समय प्रस्तुत किए गए नए अभिकारक अणुओं के प्रति गैसीय अवस्था में प्रतिक्रियाशील होते है। इसके अतिरिक्त एक अवांछित सीवीडी-विकसित परत प्राप्त को प्राप्त करते हैं।[19]

एमएलडी विंडो (खिड़की)

परत की वृद्धि सामान्यतः निक्षेपण के तापमान पर निर्भर करती है, जिसे एमएलडी विंडो कहा जाता है।[1] एक तापमान सीमा जिसमें आदर्श रूप से परत की वृद्धि स्थिर होती है। सामान्यतः उसमे एमएलडी विंडो के बाहर कार्य करते समय कई समस्याएं हो सकती हैं:

  • अपेक्षाकृत कम तापमान पर कार्य करते समय अपर्याप्त प्रतिक्रिया के कारण सीमित वृद्धि या संक्षेपण जो अपेक्षा से अधिक उच्च जीपीसी जैसा दिखाई देगा।[19]
  • उच्च तापमान पर कार्य करते समय अभिकारक अपघटन जो गैर-संतृप्त मे अनियंत्रित वृद्धि उत्पन्न करता है या विशोषण जो निक्षेपण दर को अपेक्षाकृत कम कर सकता है।[19]

इसके अतिरिक्त एमएलडी विंडो के भीतर कार्य करते समय जीपीसी कभी-कभी अन्य तापमान-निर्भर कारकों, जैसे परत प्रसार, प्रतिक्रियाशील क्षेत्रों की संख्या या प्रतिक्रिया तंत्र के प्रभाव के कारण तापमान के साथ भिन्न हो सकता है।[1]

गैर-आदर्शता

गैर-मोनोलेयर विकास

एमएलडी प्रक्रिया को निष्पादित करते समय प्रति चक्र एक मोनोलेयर की आदर्श स्थिति सामान्यतः प्रयुक्त नहीं होती है। वास्तविक विश्व में कई पैरामीटर परत की वास्तविक विकास दर को प्रभावित करते हैं, जो परिवर्तन में उप-मोनोलेयर विकास (प्रति चक्र एक पूर्ण परत से कम का निक्षेपण), द्वीप विकास और द्वीपों के सह-अस्तित्व जैसी गैर-आदर्शता को उत्पन्न करते हैं।[19]

कार्यद्रव्य प्रभाव

एमएलडी प्रक्रिया के समय परत विकास सामान्यतः एक स्थिर मान (जीपीसी) प्राप्त करती है। हालाँकि पहले चक्रों के समय आने वाले अभिकारक अणु विकसित पदार्थ की सतह के साथ कार्यद्रव्य के रूप मे प्रतिक्रिया करते हैं। इस प्रकार विभिन्न प्रतिक्रिया दरों के साथ विभिन्न रासायनिक प्रतिक्रियाओं से गुजरते हैं। इसके परिणामस्वरूप विकास दर कार्यद्रव्य वृद्धि (परत-परत प्रतिक्रियाओं की तुलना में तीव्र उपसमूह-परत प्रतिक्रिया) का अनुभव कर सकती है। इसलिए पहले चक्र में उच्च जीपीसी या कार्यद्रव्य अवरोध (परत-परत प्रतिक्रियाओं की तुलना में धीमी उपसमूह-परत प्रतिक्रिया) प्रारम्भ में जीपीसी में अपेक्षाकृत कमी के साथ किसी भी अवस्था में प्रक्रिया वृद्धि दर दोनों अवस्थाओ में बहुत समान हो सकती है।[20]

प्रत्याशित वृद्धि से कम

एमएलडी में यह देखना असामान्य नहीं है कि प्रायः प्रयोगों से प्रत्याशित विकास दर से कम परिणाम प्राप्त होते हैं। इसका कारण कई अभीकारकों पर निर्भर करता है,[21] जैसे कि:

  • अणु का झुकाव: लंबी श्रृंखला वाले कार्बनिक अणुओं की सतह पर अणुओं के पूरी तरह से लंबवत नहीं रहने की संभावना होती है, जिससे सतह स्थलों की संख्या कम हो जाती है।
  • बाइडेंटेट लिगैंड्स: जब एक प्रतिक्रियाशील अणु में दो कार्यात्मक समूह होते हैं, तो यह सतह पर सीधे रहने के अतिरिक्त झुक सकता है और दो सतह क्षेत्रों के साथ प्रतिक्रिया कर सकती है। उदाहरण के लिए एथिलीन ग्लाइकॉल और ग्लिसरॉल के साथ उत्पन्न किए गए टाइटैनिकोन के लिए यह दिखाया गया है। क्योंकि ग्लिसरॉल में एथिलीन ग्लाइकॉल की तुलना में एक अतिरिक्त हाइड्रॉक्सिल समूह होता है और सतह के साथ टर्मिनल हाइड्रॉक्सिल समूहों की दोहरी प्रतिक्रिया की अवस्था में एक अतिरिक्त प्रतिक्रियाशील हाइड्रॉक्सिल समूह प्रदान करने में सक्षम होता है।[22]
  • त्रिविमी बाधा: कार्बनिक अभिकारक प्रायः भारी होते हैं और सतह से जुड़े होने पर कई सतह समूहों को अधिकृत कर सकते हैं।
  • लंबे समय तक स्पंदन समय: कार्बनिक अभिकारकों में बहुत कम वाष्प दाब हो सकता है और संतृप्ति प्राप्त करने के लिए बहुत लंबे समय तक स्पंदन समय आवश्यक हो सकता है। इसके अतिरिक्त बाद में कक्ष से सभी अप्रतिक्रिया न किए गए अणुओं को पृथक करने के लिए सामान्यतः लंबे समय तक शुद्धिकरण की आवश्यकता होती है।
  • कम तापमान: अभिकारक वाष्प दाब को बढ़ाने के लिए कोई भी इसका तापमान बढ़ाने के विषय में सोच सकता है। फिर भी कार्बनिक अभिकारक सामान्यतः ऊष्मीय रूप से बहुत नम्य होते हैं और तापमान में वृद्धि अपघटन को प्रेरित कर सकते हैं।
  • गैस-अवस्था: कई कार्बनिक प्रतिक्रियाएं सामान्यतः तरल अवस्था में की जाती हैं। इसलिए अम्ल-क्षार अंतःक्रिया या विलायक संकरण पर निर्भर होती हैं। ये प्रभाव गैसीय अवस्था में सम्मिलित नहीं हैं। जिसके परिणामस्वरूप कई प्रक्रियाएं कम प्रतिक्रिया दर उत्पन्न करती है या सामान्यतः संभव नहीं होती हैं।[1]

जटिल कार्बनिक अभिकारको को दो से अधिक कार्यात्मक समूहों और तीन अवस्था वाली प्रतिक्रियाओ उपयोग करके इस घटना से यथासंभव संरक्षित किया जा सकता है।[23][24] जिनमें वलय विवर्तक प्रतिक्रियाएं होती हैं।[22] रेफरी>Keskiväli L, Putkonen M, Puhakka E, Kenttä E, Kint J, Ramachandran RK, et al. (July 2018). "रिंग-ओपनिंग प्रतिक्रियाओं का उपयोग करके आणविक परत जमाव: फिल्म विकास की आणविक मॉडलिंग और हाइड्रोजन पेरोक्साइड के प्रभाव". एसीएस ओमेगा. 3 (7): 7141–7149. doi:10.1021/acsomega.8b01301. PMC 6644646. PMID 31458876.</ref>

अभिकारको की भौतिक अवस्था

तरल अभिकारक

उच्च भौतिक अवस्थाएं संचालन में तरल अभिकारकों को एएलडी/एमएलडी के लिए पसंदीदा विकल्प बनाती है। सामान्यतः तरल अभिकारकों में कमरे के तापमान पर पर्याप्त उच्च वाष्प दाब होता है और इसलिए सीमित ऊष्मा की आवश्यकता होती है। वे केकिंग, कण आकार परिवर्तन, चैनलिंग जैसे ठोस अभिकारको के साथ सामान्य समस्याओं से ग्रस्त नहीं होते हैं और निरंतर स्थिर वाष्प वितरण प्रदान करते हैं। इसलिए, कम गलनांक वाले कुछ ठोस अभिकारको का उपयोग सामान्यतः उनकी तरल अवस्था में किया जाता है।

एक वाहक गैस का उपयोग सामान्यतः वाष्प को उसके स्रोत से परमाणु भट्टी तक ले जाने के लिए किया जाता है। वाष्पों को सोलनॉइड और सुई वाल्व की सहायता से सीधे इस वाहक गैस में प्रवेश किया जा सकता है।[25] दूसरी ओर वाहक गैस को अभिकारक वाले कंटेनर के मुख्य स्थान पर प्रवाहित किया जा सकता है या अभिकारक के माध्यम से बुलबुला किया जा सकता है। बाद के लिए डिप-ट्यूब बब्बलर का सामान्यतः उपयोग किया जाता है। सेटअप में एक खोखली ट्यूब (इनलेट) होती है जो वाहक गैस से भरी एक सीलबंद शीशी के लगभग नीचे खुलती है और शीशी के शीर्ष पर एक आउटलेट होता है। नाइट्रोजन/आर्गन जैसी अक्रिय वाहक गैस को ट्यूब के माध्यम से तरल के माध्यम से बुलबुला किया जाता है और आउटलेट के माध्यम से परमाणु भट्टी को नीचे की ओर ले जाया जाता है। तरल पदार्थों की अपेक्षाकृत तीव्र वाष्पीकरण गतिकी के कारण, बाहर निकलने वाली वाहक गैस लगभग पूर्ववर्ती वाष्प से संतृप्त होती है। परमाणु भट्टी में वाष्प की आपूर्ति को वाहक गैस प्रवाह, अभिकारक के तापमान को समायोजित करके नियंत्रित किया जा सकता है। यदि आवश्यक हो, तो लाइन के नीचे इसे और पतला किया जा सकता है। यह सुनिश्चित किया जाना चाहिए कि बब्बलर से निम्न प्रवाह संबद्धता को पर्याप्त उच्च तापमान पर रखा जाए ताकि पूर्ववर्ती संघनन से बचा जा सके। सेटअप का उपयोग स्थानिक परमाणु भट्टी में भी किया जा सकता है जो अभिकारक वाष्प की अत्यधिक उच्च, स्थिर और निरंतर आपूर्ति की मांग करते हैं।

पारंपरिक परमाणु भट्टी में होल्ड-सेल का उपयोग अभिकारक वाष्प के अस्थायी भंडार के रूप में भी किया जा सकता है।[26][27] ऐसे सेटअप में सेल को प्रारम्भ में रिक्त कर दिया जाता है। फिर इसे एक पूर्ववर्ती स्रोत के लिए प्रारम्भ किया जाता है और अभिकारक को वाष्प से भरने की स्वीकृति दी जाती है। फिर सेल को पूर्ववर्ती स्रोत से विभाजित कर दिया जाता है। परमाणु भट्टी के दाब के आधार पर सेल पर एक अक्रिय गैस से दाब डाला जा सकता है। अंत में सेल को परमाणु भट्टी में खोला जाता है और तरल अभिकारक को वितरित किया जाता है। होल्ड (भंडारण) सेल को भरने और रिक्त करने की इस अवस्था को एएलडी अवस्था के साथ समन्वयित किया जा सकता है। यह सेटअप स्थानिक परमाणु भट्टी के लिए उपयुक्त नहीं है जो वाष्प की निरंतर आपूर्ति की मांग करते हैं।

ठोस अभिकारक

ठोस अभिकारक तरल अभिकारको की तरह सामान्य नहीं हैं लेकिन फिर भी उपयोग किए जाते हैं। अर्धचालक उद्योग के लिए एएलडी में संभावित अनुप्रयोगों वाले ठोस अभिकारक का एक बहुत ही सामान्य उदाहरण ट्राइमेथिलिंडियम (TMIn) है। एमएलडी में कुछ ठोस सह-अभिकारक जैसे पी-अमीनोफेनॉल, हाइड्रोक्विनोन, पी-फेनिलेनेडियमिन एथिलीन ग्लाइकोल जैसे तरल अभिकारकों द्वारा सामना की जाने वाली दोहरी प्रतिक्रियाओं की समस्या को दूर कर सकते हैं। इसके कारण उनको ऐरोमैटिक नम्यता माना जा सकता है। ऐसे अभिकारको से प्राप्त विकास दर सामान्यतः नम्य अभिकारको की तुलना में अधिक होती है। हालाँकि, अधिकांश ठोस अभिकारको में अपेक्षाकृत कम वाष्प दाब और धीमी वाष्पीकरण गतिकी होती है।

अस्थायी सेटअप के लिए अभिकारक को सामान्यतः एक गर्म नाव में भर दिया जाता है और ओवरहेड वाष्प को वाहक गैस द्वारा परमाणु भट्टी में ले जाया जाता है। हालाँकि धीमी वाष्पीकरण गतिकी के कारण संतुलन वाष्प दाब प्रदान करना जटिल हो जाता है। अभिकारक वाष्प के साथ वाहक गैस की अधिकतम संतृप्ति सुनिश्चित करने के लिए वाहक गैस और अभिकारक के बीच संपर्क लंबा और पर्याप्त होना चाहिए। एक साधारण डिप-ट्यूब बब्बलर, जो सामान्यतः तरल पदार्थों के लिए उपयोग किया जाता है। उसका का उपयोग इस उद्देश्य के लिए किया जा सकता है। लेकिन इस प्रकार के अभिकारक केकिंग, वाहक गैस चैनलिंग,[28] पूर्ववर्ती आकृति विज्ञान और कण आकार में परिवर्तन सेटअप से वाष्प वितरण में स्थिरता से अभिकारक के वाष्पीकरण को ठंडा होने का जोखिम होता है।[29][30] इसके अतिरिक्त एक ठोस अभिकारक के माध्यम से वाहक गैस के उच्च प्रवाह को प्रवाहित करने से छोटे कण परमाणु भट्टी या निम्न प्रवाह फिल्टर में चले जाते हैं जिससे यह अवरुद्ध हो जाता है। इन समस्याओं से बचने के लिए अभिकारक को पहले एक गैर-वाष्पशील अक्रिय तरल में विघटित किया जा सकता है या उसमें निलंबित किया जा सकता है और फिर विलयन/निलंबन को बब्बलर सेटअप में उपयोग किया जा सकता है।[31]

इसके अतिरिक्त लंबी अवधि और उच्च वाहक प्रवाह के लिए अभिकारक वाष्प की स्थिर और निरंतर वितरण सुनिश्चित करने के लिए या ठोस अभिकारकों के लिए कुछ विशेष वाष्प वितरण प्रणालियाँ भी डिज़ाइन की गई हैं।[28][32]

गैसीय अभिकारक

एएलडी/एमएलडी दोनों गैस अवस्था की प्रक्रियाएं हैं। इसलिए अभिकारको को उनके गैसीय रूप में प्रतिक्रिया क्षेत्रों में प्रस्तुत करने की आवश्यकता होती है। गैसीय भौतिक अवस्था में पहले से सम्मिलित अभिकारक परमाणु भट्टी तक अपने परिवहन को बहुत सरल और समस्या मुक्त बना देता है। उदाहरण के लिए अभिकारक को गर्म करने की कोई आवश्यकता नहीं होती है। जिससे संघनन का जोखिम अपेक्षाकृत कम हो जाता है। हालाँकि अभिकारक गैसीय अवस्था में लगभग ही कभी उपलब्ध होते हैं। दूसरी ओर कुछ एएलडी सह-अभिकारक गैसीय रूप में उपलब्ध हैं। उदाहरणों में सल्फाइड परतों के लिए उपयोग किया जाने वाला H2S[33] नाइट्राइड परतों के लिए उपयोग किया जाने वाला NH3 ऑक्साइड का उत्पादन करने के लिए O2 और O3 के प्लाज़्मा सम्मिलित हैं।[34][35][36] परमाणु भट्टी को इन सह-अभिकारकों की आपूर्ति को विनियमित करने का सबसे सामान्य और साधारण तरीका स्रोत और परमाणु भट्टी के बीच संबद्ध द्रव्यमान प्रवाह नियंत्रक का उपयोग करना है। उनके आंशिक दाब को नियंत्रित करने के लिए उन्हें अक्रिय गैस से भी पतला किया जा सकता है।

परत का चरित्र-चित्रण

समय के साथ कई वर्णन तकनीकें विकसित हुई हैं क्योंकि विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए एएलडी/एमएलडी परतें बनाने की मांग बढ़ गई है। इसमें प्रयोगशाला-आधारित वर्णन और कुशल सिंक्रोट्रॉन-आधारित एक्स-रे तकनीके सम्मिलित हैं।

प्रयोगशाला-आधारित वर्णन

चूँकि वे दोनों एक समान प्रोटोकॉल का अनुसरण करते हैं और एएलडी पर प्रयुक्त लगभग सभी वर्णन सामान्यतः एमएलडी पर भी प्रयुक्त होते हैं। एमएलडी परत गुणों जैसे मोटाई, सतह और अंतरापृष्ठ अशिष्टता, संरचना और आकारिकी को चिह्नित करने के लिए कई उपकरण नियोजित किए गए हैं। विकसित एमएलडी परत की मोटाई और अशिष्टता (सतह और अंतरापृष्ठ) अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। सामान्यतः एक्स-रे परावर्तन (एक्सआरआर) द्वारा पूर्व-स्थिति की विशेषता होती है।[37] इन-सीटू तकनीकें अपने पूर्व-सीटू समकक्षों की तुलना में आसान और अधिक कुशल लक्षण वर्णन प्रदान करती हैं, जिनमें से स्पेक्ट्रोस्कोपिक इलिप्सोमेट्री (एसई)और क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस (क्यूसीएम)[37] असाधारण मोटाई नियंत्रण के साथ कुछ एंगस्ट्रॉम से पतली परतों को मापने के लिए बहुत लोकप्रिय हो गए हैं।[38][39]

एक्स - रे फ़ोटोइलैक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) और एक्स-रे डिफ्रेक्टोमेट्री (एक्सआरडी) का उपयोग क्रमशः परत संरचना और क्रिस्टलीयता में अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए किया जाता है, जबकि परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम)[40] और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम)[41] का उपयोग सतह की अशिष्टता और आकारिकी का निरीक्षण करने के लिए प्रायः किया जा रहा है। चूंकि एमएलडी प्रायः हाइब्रिड पदार्थों से संबंधित है, जिसमें कार्बनिक और अकार्बनिक दोनों घटक सम्मिलित हैं। फूरियर रूपांतरण अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफटीआईआर)[42] एमएलडी अवस्था के समय जोड़े या हटाए गए नए कार्यात्मक समूह को समझने के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है। सामान्यतः यह एक प्रभावशाली उपकरण भी है। एमएलडी प्रक्रिया के प्रत्येक उपचक्र के समय अंतर्निहित रसायन शास्त्र या सतह प्रतिक्रियाओं को स्पष्ट किया जा सकता है।

सिंक्रोटॉन -आधारित वर्णन

सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे का एक प्रभावशाली स्रोत है जो ऊर्जा स्तर तक अभिगम्य होता है जिसे प्रयोगशाला-आधारित वातावरण मे प्राप्त नहीं किया जा सकता है। यह सिंक्रोट्रॉन विकिरण उत्पन्न करता है, विद्युत चुम्बकीय विकिरण जो आवेशित कणों के त्रिज्य त्वरण से गुजरने पर उत्सर्जित होता है जो उच्च ऊर्जा स्तर प्रक्रियाओं की गहरी समझ प्रदान करते हैं और अत्याधुनिक अनुसंधान परिणाम की ओर ले जाते हैं।[43] सिंक्रोट्रॉन-आधारित लक्षण वर्णन आधारिक रसायन विज्ञान को समझने और एमएलडी प्रक्रियाओं मे उनके संभावित अनुप्रयोगों के विषय में मौलिक ज्ञान विकसित करने के संभावित अवसर भी प्रदान करते हैं।[44][45] इन-सीटू एक्स-रे प्रतिदीप्ति (एक्सआरएफ)[46] और ग्रेज़िंग इन्सिडेंस एक्स-रे स्कैटरिंग (जीआईएसएएक्सएस)[47] के संयोजन को एएलडी प्रक्रियाओं के समय न्यूक्लिएशन और विकास को अवशोषित करने के लिए एक सफल पद्धति के रूप में प्रदर्शित किया गया है।[48][49] हालांकि एमएलडी प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए इस संयोजन की अभी तक विस्तार से जांच नहीं की गई है, लेकिन इसमें एमएलडी या वाष्पीय निस्यंदन अवस्था (वीपीआई) द्वारा विकसित हाइब्रिड पदार्थों की प्रारंभिक न्यूक्लिएशन (केंद्रक) और आंतरिक संरचना की समझ में सुधार करने की अपेक्षाकृत संभावना है।[50]

संभावित अनुप्रयोग

आणविक पैमाने पर इंजीनियर हाइब्रिड पदार्थों का मुख्य अनुप्रयोग इसके सह-क्रियात्मक गुणों पर निर्भर करता है, जो उनके अकार्बनिक और कार्बनिक घटकों के व्यक्तिगत प्रदर्शन को नियंत्रित करता है। आणविक परत निक्षेपण पदार्थ के अनुप्रयोग के मुख्य क्षेत्र निम्न हैं:[51]

  • पैकेजिंग/संपुटीकरण: यांत्रिक गुणों (नम्यता, तनाव, कम भंगुरता) के साथ अल्ट्राथिन, पिनहोल-मुक्त और नम्य लेप निक्षेपण कार्बनिक प्रकाश उत्सर्जक डायोड (ओएलईडी) पर गैस-अवरोधक हैं।
  • इलेक्ट्रॉनिक्स: विशेष यांत्रिक और डाइ इलैक्ट्रिक गुणों के साथ टेलरिंग पदार्थ, जैसे उन्नत एकीकृत परिपथ जिनके लिए विशेष अवरोधक या उच्च-के गेट डाइलेक्ट्रिक्स के साथ नम्य पतली परत ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त कुछ तापीय विद्युत उपकरणों के साथ ऊष्मा के रूप में नष्ट ऊर्जा को विद्युत शक्ति के रूप में पुनर्प्राप्त किया जाता है।
  • जैव चिकित्सक अनुप्रयोग: कोशिका वृद्धि, आसंजन या इसके विपरीत जीवाणुरोधी गुणों वाले पदार्थ उत्पन्न करने के लिए इनका उपयोग सेंसिंग, डायग्नोस्टिक्स या दवा वितरण जैसे अनुसंधान क्षेत्रों में किया जा सकता है।

अकार्बनिक और कार्बनिक नेटवर्क बनाने के लिए आवश्यक विभिन्न प्रारंभिक स्थितियों के कारण आणविक पैमाने पर अकार्बनिक और कार्बनिक निर्मित ब्लॉकों का संयोजन चुनौतीपूर्ण सिद्ध हुआ है। वर्तमान मे प्रायः समाधान रसायन विज्ञान पर आधारित होते हैं। उदाहरण के लिए सोल-जेल संश्लेषण को प्रचक्रण विलेपन, डिपिंग या छिड़काव के साथ जोड़ा जाता है जो एमएलडी का एक विकल्प है।

डाइ इलैक्ट्रिक पदार्थ के लिए एमएलडी उपयोग

निम्न-स्थिरांक

किसी माध्यम के डाइ इलैक्ट्रिक स्थिरांक (k) को माध्यम के साथ और उसकी अतिरिक्त संधारित्र की धारिता के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है।[52] वर्तमान मे धातु अंतःसंबंधन के प्रतिरोध और नैनोस्केल उपकरणों की डाइ इलैक्ट्रिक परत के कारण होने वाली देरी, क्रॉसस्टॉक और विद्युत क्षय मुख्य कारक बन गए हैं जो डिवाइस के प्रदर्शन को सीमित करते हैं और यदि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को और अधिक छोटा किया जाता है तो अंतःसंबंधन प्रतिरोध धारिता (RC) विलंब समग्र डिवाइस गति पर प्रभावी हो सकता है। इसे हल करने के लिए वर्तमान कार्य अकार्बनिक और कार्बनिक पदार्थों के संयोजन से पदार्थों के डाइ इलैक्ट्रिक स्थिरांक को कम करने पर केंद्रित है,[53] जिनकी कम क्षमता धातु लाइनों के बीच अंतर को कम करने की स्वीकृति देती है और इसके साथ धातु की परतों की संख्या को अपेक्षाकृत कम करने की क्षमता होती है। एक उपकरण के लिए इस प्रकार के पदार्थों में कार्बनिक भाग कठोर और प्रतिरोधी होना चाहिए। सामान्यतः इस उद्देश्य के लिए धातु ऑक्साइड और फ्लोराइड का सामान्यतः उपयोग किया जाता है। हालाँकि यह पदार्थ अधिक भंगुर होते है इसलिए इसमें कार्बनिक बहुलक भी मिलाए जाते हैं, जिससे हाइब्रिड पदार्थ को कम डाइ इलैक्ट्रिक स्थिरांक, अच्छी अंतरालीय क्षमता, उच्च समतलता, कम अवशिष्ट तनाव और कम तापीय चालकता प्रदान की जाती है। वर्तमान शोध में 3 से कम स्थिरांक k मान वाले एमएलडी द्वारा निम्न-स्थिरांक पदार्थ तैयार करने के लिए अत्यधिक प्रयास किए जा रहे हैं।[54]

उच्च-स्थिरांक

नवीन कार्बनिक पतली-परत ट्रांजिस्टर को एक उच्च-प्रदर्शन डाइ इलैक्ट्रिक परत की आवश्यकता होती है, जो पतली और उच्च स्थिरांक (k) मान वाली होनी चाहिए। एमएलडी कार्बनिक और अकार्बनिक घटकों की मात्रा और अनुपात को परिवर्तित करके उच्च स्थिरांक और डाइ इलैक्ट्रिक क्षमता को संभव बनाता है। इसके अतिरिक्त एमएलडी का उपयोग नम्यता की स्थिति में अपेक्षाकृत यांत्रिक गुण प्राप्त करने की स्वीकृति देता है।

विभिन्न हाइब्रिड डाइलेक्ट्रिक्स ज़र्कोनियम टर्ट-ब्यूटॉक्साइड (जेडटीबी) से जिंकोन हाइब्रिड और एथिलीन ग्लाइकॉल (ईजी) AAl2O3आधारित हाइब्रिड जैसे स्व-संयोजन एमएलडी-जमा ऑक्टेनिलट्राइक्लोरोसिलेन (OTS) परतें और Al2O3 लिंकर्सप पहले ही विकसित किए जा चुके हैं। [55] इसके अतिरिक्त TiCl4 और फ्यूमरिक अम्ल से बने डाइ इलैक्ट्रिक[56] Ti-आधारित हाइब्रिड ने आवेशित मेमोरी धारिता में अपनी प्रयोज्यता सिद्ध की है।[57]

छिद्रित पदार्थ के लिए एमएलडी

एमएलडी में धातु-कार्बनिक फ्रेमवर्क (एमओएफ) और सहसंयोजक-कार्बनिक फ्रेमवर्क (सीओएफ) जैसी छिद्रपूर्ण हाइब्रिड कार्बनिक-अकार्बनिक और पूरी तरह कार्बनिक परतों के निक्षेपण की उच्च क्षमता होती है। परिभाषित छिद्र संरचना और रासायनिक ट्यूनेबिलिटी के लिए इन नवीन पदार्थों की पतली परतों को अगली पीढ़ी के गैस सेंसर और निम्न-स्थिरांक डाइलेक्ट्रिक्स में सम्मिलित किए जाने की संभावना है।[58][59] परंपरागत रूप से एमओएफ और सीओएफ की पतली परतें विलायक-आधारित मार्गों के माध्यम से विकसित की जाती हैं, जो स्वच्छ वातावरण में हानिकारक होती हैं और पहले से उपस्थित संगत तकनीक के क्षरण का कारण बन सकती हैं।[58] स्वच्छ संगत तकनीक के रूप में एमएलडी एक आकर्षक विकल्प प्रस्तुत करता है, जिसका अभी तक पूरी तरह से अनुभव नहीं किया गया है। आज तक एमओएफ और सीओएफ के प्रत्यक्ष एमएलडी पर कोई रिपोर्ट नहीं है। वैज्ञानिक वास्तविक एमएलडी प्रक्रिया की दिशा में सक्रिय रूप से अन्य विलायक-मुक्त सभी-गैसीय अवस्था विधियों का विकास कर रहे हैं।

एमएलडी जैसी प्रक्रिया के प्रारम्भिक उदाहरणों में से एक तथाकथित एमओएफ-सीवीडी है। इसे पहली बार ZIF-8 के लिए दो-चरणीय प्रक्रिया का उपयोग करके सिद्ध किया गया था। इसके बाद ZnO का एएलडी 2-मिथाइलिमिडाज़ोल लिंकर वाष्प का संपर्क किया गया था।[60] बाद में इसे कई अन्य एमओएफ तक विस्तारित किया गया था।[61][62] एमओएफ-सीवीडी एक एकल-कक्ष निक्षेपण विधि है। इसमें सम्मिलित प्रतिक्रियाएं स्व-सीमित प्रकृति प्रदर्शित करती हैं, जो एक विशिष्ट एमएलडी प्रक्रिया के साथ जटिल समानता रखती हैं।

धातु अभिकारक और कार्बनिक लिंकर की अनुक्रमिक प्रतिक्रियाओं द्वारा एमओएफ का प्रत्यक्ष आणविक परत निक्षेपण करने का प्रयास सामान्यतः एक घने और अनाकार परत में परिणामित होता है। इनमें से कुछ पदार्थ विशिष्ट गैस-अवस्था के उपचार के बाद एमओएफ अभिकारक के रूप में कार्य कर करते हैं। यह दो-चरणीय प्रक्रिया एमओएफ-सीवीडी का एक विकल्प प्रस्तुत करती है। इसके कुछ प्रोटोटाइप एमओएफ, आईआरएमओएफ-8,[63] एमओएफ-5,[64] यूआईओ-66,[65] का सफलतापूर्वक पूर्वानुमान किया गया है। हालांकि एमओएफ क्रिस्टलीकरण के उपचार के बाद का अवस्था आवश्यक है। इसके लिए प्रायः जटिल (उच्च तापमान, संक्षारक वाष्प) परिस्थितियों की आवश्यकता होती है जो अपरिष्कृत और गैर-समान परतों का कारण बनती हैं। औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए शून्य से न्यूनतम उपचार के बाद का निक्षेपण अत्यधिक वांछनीय है।

प्रवाहकीय पदार्थ के लिए एमएलडी

प्रवाहकीय और नम्य परतें कई विकसित अनुप्रयोगों जैसे कि डिस्प्ले, धारणीय उपकरण और फोटोवोल्टिक्स व्यक्तिगत चिकित्सा उपकरण के लिए महत्वपूर्ण हैं। उदाहरण के लिए जिंकोन हाइब्रिड एक ZnO परत से निकटता से संबंधित है। इसलिए ZnO की चालकता को कार्बनिक परत की नम्यता के साथ जोड़ा जा सकता है। जिंकोन को डायथाइलजिंक (DEZ), हाइड्रोक्विनोन (HQ) और पानी का निक्षेपण करके (−Zn-O-फेनिलीन-O−)n के रूप में एक आणविक श्रृंखला उत्पन्न की जा सकती है, जो एक विद्युत चालक है।[66] शुद्ध ZnO परत के माप ने ~ 14 S/m की चालकता प्रदर्शित की है जबकि एमएलडी जिंकोन ने ~ 170 S/m चालकता प्रदर्शित की है जो परिमाण के एक से अधिक क्रम के हाइब्रिड मिश्र धातु की चालकता में अपेक्षाकृत वृद्धि है।

ऊर्जा भंडारण के लिए एमएलडी

बैटरी इलेक्ट्रोड के लिए एमएलडी लेप

बैटरी क्षेत्र में एमएलडी के मुख्य अनुप्रयोगों में से एक बैटरी इलेक्ट्रोड को हाइब्रिड (कार्बनिक-अकार्बनिक) लेप के साथ प्रयुक्त करना है। इसका मुख्य कारण यह है कि ये लेप संभावित रूप से इलेक्ट्रोड को विभाजन के मुख्य स्रोतों से बचा सकता है, जबकि विभाजित नहीं हैं। यह लेप विशुद्ध रूप से अकार्बनिक पदार्थों की तुलना में अधिक नम्य होता हैं। इसलिए आवेश और निर्वहन होने पर बैटरी इलेक्ट्रोड में होने वाले परिणाम विस्तार का सामना करने में सक्षम होता है।

  • एनोड पर एमएलडी लेप: इसकी उच्च सैद्धांतिक क्षमता (4200mAh/g) के कारण बैटरी में सिलिकॉन एनोड का कार्यान्वयन अपेक्षाकृत अच्छा है। हालांकि लिथियम मिश्रधातु और डीलोयिंग पर भारी मात्रा में परिवर्तन एक बड़ा कारण है क्योंकि इससे सिलिकॉन एनोड का क्षरण होता है। एमएलडी पतली परत लेप जैसे एलुकोन (एएल-जीएल, एएल-एचक्यू) का उपयोग उच्च नम्य और जटिलता के कारण सिलिकॉन पर बफरिंग मैट्रिक्स के रूप में किया जा सकता है। इसलिए Si एनोड के लिए परिणाम विस्तार से अपेक्षाकृत छुट प्राप्त हुई और साइक्लिंग प्रदर्शन में महत्वपूर्ण सुधार हुआ है।[67][68]
  • कैथोड पर एमएलडी लेप: लिथियम सल्फर बैटरियां अपनी उच्च ऊर्जा घनत्व के कारण बहुत रुचि रखती हैं, जो इसे इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी) और हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों (एचईवी) जैसे अनुप्रयोगों के लिए सुविधाजनक है। हालाँकि कैथोड से पॉलीसल्फाइड के विघटन के कारण उनका जीवन बैटरी के प्रदर्शन के लिए हानिकारक है। यह तथ्य बड़ी मात्रा में विस्तार के साथ मिलकर कुछ मुख्य कारक हैं जो नष्ट विद्युत रासायनिक प्रदर्शन का कारण बनते हैं। इन कारणों का सामना करने के लिए सल्फर कैथोड पर एलुकोन लेप (एएल-ईजी) का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है।[44][69]

तापीय विद्युत पदार्थ के लिए एमएलडी

उच्च परिशुद्धता और नियंत्रण के साथ एक पतली परत निक्षेपण तकनीक के रूप में परमाणु/आणविक परत निक्षेपण (एएलडी/एमएलडी) बहुत अच्छी हाइब्रिड अकार्बनिक-कार्बनिक सुपरलैटिस संरचनाओं का उत्पादन करने का अवसर उत्पन्न करते है। तापीय विद्युत पदार्थों की अकार्बनिक जाल के अंदर कार्बनिक अवरोधक परतें जोड़ने से तापीय विद्युत दक्षता में सुधार होता है। उपर्युक्त घटना एक शमन प्रभाव का परिणाम है जो कार्बनिक बाधा परतों का फोनन पर होता है। जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन जो मुख्य रूप से जालक के माध्यम से विद्युत परिवहन के लिए उत्तरदायी होते हैं। कार्बनिक परतों के माध्यम से अधिकांश संरक्षित रह सकते हैं, जबकि तापीय परिवहन के लिए फोनन कुछ अवस्था तक अवरोधित कर दिये जाते हैं। जिसके परिणामस्वरूप परिणामी परतों में अपेक्षाकृत तापीय विद्युत दक्षता उत्पन्न होती है।

व्यावहारिक दृष्टिकोण

ऐसा माना जाता है कि तापीय विद्युत दक्षता बढ़ाने के लिए अन्य तरीकों के साथ-साथ अवरोधक परतों के अनुप्रयोग से तापीय विद्युत मॉड्यूल का उत्पादन करने में सहायता प्राप्त हो सकती है जो गैर विषैले, नम्य और स्थिर हैं। ऐसी ही एक अवस्था पृथ्वी के प्रचुर तत्वों के तापीय विद्युत ऑक्साइड की है। अन्य तापीय विद्युत पदार्थों की तुलना में इन ऑक्साइडों में उनकी उच्च तापीय चालकता के कारण कम तापीय विद्युत चालकता होती है। इसलिए एएलडी/एमएलडी के माध्यम से अवरोधक परतें जोड़ना और ऑक्साइड की इस ऋणात्मक विशेषता को दूर करने का एक अच्छा प्रयास है।

जैव चिकित्सा के अनुप्रयोगों के लिए एमएलडी

बायोएक्टिव और जैव संगत सतहें

एमएलडी को लक्षित कोशिका और ऊतक प्रतिक्रियाओं के लिए बायोएक्टिव और जैव संगत सतहों के डिजाइन पर भी प्रयुक्त किया जा सकता है। बायोएक्टिव पदार्थों में पुनर्योजी चिकित्सा, ऊतक इंजीनियरिंग (ऊतक मचान), बायोसेंसर आदि के लिए पदार्थ सम्मिलित होते है। महत्वपूर्ण कारक जो कोशिका सतह संपर्क के साथ ही प्रणाली की प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को प्रभावित कर सकते हैं और सतह रसायन विज्ञान (जैसे कार्यात्मक समूह, सतह आवेश और वेटेबिलिटी) और सतह स्थलाकृति हैं।[70] कोशिका के जुड़ाव प्रसार और परिणामी सतहों की जैव सक्रियता को नियंत्रित करने के लिए इन गुणों को समझना महत्वपूर्ण है। इसके अतिरिक्त बायोएक्टिव सतहों के निर्माण के समय कार्बनिक बिल्डिंग ब्लॉक्स और एक प्रकार के बायोमोलेक्यूल्स (जैसे प्रोटीन, पेप्टाइड्स या पॉलीसेकेराइड) का चुनाव सतह की कोशिकीय प्रतिक्रिया के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। एमएलडी ऐसे कार्बनिक अणुओं को टाइटेनियम जैसे अकार्बनिक जैव-संगत तत्वों के साथ जोड़कर जैव सक्रिय, शुद्ध संरचनाओं के निर्माण की स्वीकृति देता है। जैव चिकित्सा के अनुप्रयोगों के लिए एमएलडी के उपयोग का व्यापक रूप से अध्ययन नहीं किया गया है और यह अनुसंधान का एक सुविधाजनक क्षेत्र है। यह विधि सतह संशोधन को सक्षम बनाती है और इस प्रकार सतह को क्रियाशील बना सकती है।

2017 में प्रकाशित एक वर्तमान अध्ययन में ग्लाइसिन, एल-एसपारटिक अम्ल और एल-आर्जिनिन जैसे अमीनो अम्ल के साथ टाइटेनियम समूहों को मिलाकर बायोएक्टिव मचान बनाने के लिए एमएलडी का उपयोग किया गया है।[71] कार्बनिक-अकार्बनिक हाइब्रिड पदार्थों के इस नवीन समूह को टाइटैमिनेट्स कहा जाता था। इसके अतिरिक्त बायोएक्टिव हाइब्रिड पदार्थ जिसमें टाइटेनियम और प्राथमिक न्यूक्लियोबेस जैसे थाइमिन, यूरैसिल और एडेनिन सम्मिलित हैं जो ऊतक इंजीनियरिंग के क्षेत्र में उच्च (>85%) कोशिकीय व्यवहार्यता और संभावित अनुप्रयोग प्रदर्शित करते हैं।[72][73]

रोगाणुरोधी सतह

बैक्टीरिया, वायरस, परजीवी या कवक जैसे रोगजनक सूक्ष्मजीवों के कारण होने वाला चिकित्सा-जनित संक्रमण आधुनिक स्वास्थ्य संरक्षण में एक बड़ी समस्या है।[74] बड़ी संख्या में इन रोगाणुओं ने लोकप्रिय रोगाणुरोधी एजेंटों (जैसे एंटीबायोटिक्स और एंटीवायरल) को उनके विपरीत कार्य करने से रोकने की क्षमता विकसित की है। रोगाणुरोधी प्रतिरोधक क्षमता की बढ़ती समस्या पर नियंत्रण पाने के लिए वैकल्पिक और प्रभावी रोगाणुरोधी प्रौद्योगिकियों का विकास करना आवश्यक हो गया है जिससे रोगज़नक़ प्रतिरोधक क्षमता विकसित नही हो सकती है।

एक संभावित तरीका यह है कि चिकित्सा उपकरणों की सतह को रोगाणुरोधी एजेंटों से अवरुद्ध कर दिया जाए। सामान्यतः इस प्रकाश संवेदनशील कार्बनिक अणु विधि को रोगाणुरोधी फोटोडायनामिक निष्क्रियता (एपीडीआई) कहा जाता है।[75] प्रकाश संवेदनशील कार्बनिक अणु अत्यधिक प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों को बनाने के लिए प्रकाश ऊर्जा का उपयोग करते हैं जो जैव अणुओं (जैसे प्रोटीन, लिपिड और न्यूक्लिक अम्ल) को ऑक्सीकृत करते हैं जिससे रोगज़नक़ प्रतिरोधक क्षमता नष्ट हो जाती है।[76][77] इसके अतिरिक्त एपीडीआई स्थानीय रूप से संक्रमित क्षेत्र की चिकित्सा कर सकते है, जो दंत प्रत्यारोपण जैसे छोटे चिकित्सा उपकरणों के लिए एक लाभ है। एमएलडी नियंत्रित मोटाई और शुद्धता के साथ प्रकाश-सक्रिय रोगाणुरोधी लेप बनाने के लिए बायोकंपैटिबल धातु समूहों (अर्थात जिरकोनियम या टाइटेनियम) के साथ सुगंधित अम्ल जैसे प्रकाश संवेदनशील कार्बनिक अणुओं को संयोजित करने की एक उपयुक्त तकनीक है। वर्तमान के अध्ययनों से पता चलता है कि यूवी-ए विकिरण की उपस्थिति में एंटरोकोकस फ़ेकेलिस के विपरीत 2,6-नेफ़थैलेनेडाइकारबॉक्सिलिक अम्ल और Zr-O क्लस्टर पर आधारित एमएलडी-निर्मित सतहों का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया था।[78]

लाभ और सीमाएँ

लाभ

आणविक परत निक्षेपण का मुख्य लाभ इसके धीमे और चक्रीय दृष्टिकोण से संबंधित है। जबकि अन्य तकनीकों से कम समय में मोटी परतें प्राप्त हो सकती हैं। आणविक परत का निक्षेपण एंगस्ट्रॉम स्तर की शुद्धता पर मोटाई नियंत्रण के लिए जाना जाता है। इसके अतिरिक्त इसका चक्रीय दृष्टिकोण उत्कृष्ट अनुरूपता वाली परतें उत्पन्न करता है, जो इसे जटिल आकार वाली सतहों के लेप के लिए उपयुक्त बनाता है। एमएलडी के साथ विभिन्न पदार्थों से युक्त बहुपरतों का विकास भी संभव है। जिसमे कार्बनिक/अकार्बनिक हाइब्रिड परतों के अनुपात को आसानी से नियंत्रित किया जा सकता है और अनुसंधान आवश्यकताओं के अनुरूप बनाया जा सकता है।

सीमाएँ

पिछली अवस्थाओ मे आणविक परत निक्षेपण की मुख्य सीमाएँ इसके धीमे और चक्रीय दृष्टिकोण से संबंधित थी। चूँकि प्रत्येक चक्र के समय दोनों अभिकारको को क्रमिक रूप से स्पंदित किया जाता है और संतृप्ति को प्रत्येक बार प्राप्त करने की आवश्यकता होती है। पर्याप्त मोटी परत प्राप्त करने के लिए आवश्यक समय आसानी से घंटों के क्रम में हो सकता है, यदि दिन नहीं है। इसके अतिरिक्त वांछित परतों का निक्षेपण करने से पहले सफल परिणाम प्राप्त करने के लिए सभी मापदंडों का परीक्षण और अनुकूलन करना सदैव आवश्यक होता है।

इसके अतिरिक्त एमएलडी के माध्यम से एकत्र की गई हाइब्रिड परतों से संबंधित एक और समस्या उनकी स्थिरता है। हाइब्रिड कार्बनिक/अकार्बनिक परतें H2O में नष्ट हो सकती हैं। हालाँकि इसका उपयोग परतों के रासायनिक परिवर्तन को सुविधाजनक बनाने के लिए किया जा सकता है। एमएलडी सतह रसायन विज्ञान को संशोधित करने से हाइब्रिड परतों की स्थिरता और यांत्रिक क्षमता को बढ़ाने के लिए एक विलयन प्रदान किया जा सकता है। लागत के संदर्भ में नियमित आणविक परत निक्षेपण उपकरण की लागत $200,000 और $800,000 के बीच हो सकती है। इसके अतिरिक्त उपयोग किए गए अभिकारको की लागत को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए।[79]

परमाणु परत निक्षेपण अवस्था के समान आणविक परत निक्षेपण के लिए उपयुक्त अभिकारको मे कुछ जटिल निम्न रासायनिक सीमाएं होती हैं:

आणविक परत निक्षेपण अभिकारकों के पास होना चाहिए:[80]

  • पर्याप्त अस्थिरता
  • आक्रामक और पूर्ण प्रतिक्रियाएँ
  • तापीय स्थिरता
  • परत या कार्यद्रव्य पदार्थ पर कोई भी रासायनिक निक्षारण नही होना चाहिए।
  • पर्याप्त शुद्धता

इसके अतिरिक्त निम्नलिखित विशेषताओं वाले अभिकारको को खोजने की उपयुक्त सूचना दी जाती है:

  • गैस या अत्यधिक अस्थिर तरल पदार्थ
  • उच्च जीपीसी
  • अप्रतिक्रियाशील, अस्थिर उत्पाद
  • मितव्ययी
  • संश्लेषण और नियंत्रण
  • गैर-विषाक्तता
  • पर्यावरण का अनुकूलन

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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