வெப்பத்தை மின்சாரமாக மாற்றுவதில் புதிய சாதனை

இயற்பியல் பாடங்களில் கூறப்பட்டதை விட கிட்டத்தட்ட ஆயிரம் மடங்கு பெரிய மின்னழுத்தமாக, வெப்பநிலை வேறுபாட்டை மாற்றக்கூடிய ஒரு படிக வடிவ குறைக்கடத்தியை விஞ்ஞானிகள் கண்டுபிடித்துள்ளனர். உருவாக்கப்படும் வெப்ப மின்னழுத்தமானது, அயனிக் கூழ்மங்களில் மட்டுமே காணப்படும். திட, குறிப்பாக ஒற்றைப் படிகப் பொருட்களில் இது காணப்படுவதில்லை.

இந்தக் கண்டுபிடிப்பு, புதிய அதிஉணர்திறன் வெப்பநிலை உணர்விகள், குவாண்டம் உணர் கருவிகளுக்கான ஒரு பாதையையும் திறக்கிறது. இது வெப்பநிலை உணர்வுக் கருவிகள் முதல், வீணாகும் வெப்பத்தை மின்சாரமாக மாற்றும் வெப்பமின்சார ஜெனரேட்டர்கள் வரையிலான தொழில்நுட்பங்களுக்கு அடிப்படையாக விளங்குகிறது. அறிவியல், தொழில்நுட்பத் துறையின் தன்னாட்சி நிறுவனமான ஜவஹர்லால் நேரு அறிவியல் ஆராய்ச்சி மையத்தைச்  சேர்ந்த ஆராய்ச்சியாளர் குழு, ஆஸ்திரேலியாவின் சிட்னி பல்கலைக்கழகம், பெங்களூரு இந்திய அறிவியல் கழகம் ஆகியவற்றுடன் இணைந்து, இதை நிரூபித்துள்ளது.

இந்திய விஞ்ஞானிகளின் புதிய சாதனை குறித்த அறிவிக்கை :

வெப்பநிலை வேறுபாட்டை மின்சார மின்னழுத்தமாக மாற்றும் Seebeck விளைவில் இதுவரை ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்ட அறிவியல் வரம்பை முறியடிக்கும் வகையில் இந்திய விஞ்ஞானிகள் புதிய சாதனை படைத்துள்ளனர். இந்தியாவின் ஜவஹர்லால் நேரு மேம்பட்ட அறிவியல் ஆராய்ச்சி மையம் (JNCASR), ஆஸ்திரேலியாவின் University of Sydney மற்றும் பெங்களூருவில் உள்ள இந்திய அறிவியல் கழகம் (IISc) ஆகிய நிறுவனங்களைச் சேர்ந்த ஆராய்ச்சியாளர்கள் இணைந்து இந்த முக்கிய கண்டுபிடிப்பை மேற்கொண்டுள்ளனர்.

Thermoelectric Voltage

ஒரு பொருளின் ஒரு முனை சூடாகவும் மற்றொரு முனை குளிராகவும் இருக்கும் போது, அதிலுள்ள மின்னூட்டக் கடத்திகள் வெப்பமான பகுதியிலிருந்து குளிர்ந்த பகுதிக்கு நகர்கின்றன. இதனால் மின்னழுத்தம் உருவாகிறது. இதுவே Seebeck effect எனப்படுகிறது.

இந்த விளைவு வெப்பநிலை உணரிகள் முதல் கழிவு வெப்பத்தை மின்சாரமாக மாற்றும் Thermoelectric Generator-கள் வரை பல தொழில்நுட்பங்களில் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

பல ஆண்டுகளாக, படிகத் திடப்பொருட்களில் உருவாகும் Seebeck coefficient-க்கு ஒரு குறிப்பிட்ட உச்சவரம்பு இருப்பதாக அறிவியல் உலகில் கருதப்பட்டு வந்தது.

ஆனால் தற்போது கண்டுபிடிக்கப்பட்டுள்ள Scandium Nitride (ScN) அடிப்படையிலான புதிய பொருள், அந்த வரம்பை பல மடங்கு தாண்டியுள்ளது.

1,000 மடங்கு அதிகமான Seebeck coefficient

ஆராய்ச்சியாளர்கள் உருவாக்கிய Heavily Doped, Highly Compensated (HDHC) ScN மெல்லிய படலங்களில், வழக்கமான கனிம குறைக்கடத்திகளில் காணப்படும் மதிப்பை விட பல நூறு முதல் 1,000 மடங்கு அதிகமான Seebeck coefficient பதிவாகியுள்ளது.

அறை வெப்பநிலைக்கு அருகில், சுமார் 200 நானோமீட்டர் தடிமனுடைய படலத்தில் –124.6 millivolts per Kelvin-ஐத் தாண்டிய மதிப்பு அளவிடப்பட்டுள்ளது.

இதுவரை திடமான படிகப் பொருட்களில் காணப்பட்ட உச்சவரம்பை விட இது கிட்டத்தட்ட 100 மடங்கு அதிகம் என ஆராய்ச்சியாளர்கள் தெரிவித்துள்ளனர்.

இதன் மூலம், மின்னூட்டம் கொண்ட அயன்கள் இயங்கும் திரவ electrolytes மற்றும் ionic gels போன்ற அமைப்புகளில் மட்டுமே சாத்தியம் என கருதப்பட்ட அளவிலான thermopower-ஐ ஒரு முழுமையாகப் படிகமயமான திட குறைக்கடத்தியில் பெற முடியும் என்பது நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது.

எப்படி இந்த மாற்றம் சாத்தியமானது?

ScN பொருளை ஆராய்ச்சியாளர்கள் Magnesium (Mg) மூலம் திட்டமிட்டு doping செய்தனர்.

ScN-ல் இயற்கையாக காணப்படும் சுதந்திர எலக்ட்ரான்களின் தாக்கத்தை ஈடுசெய்யும் வகையில் magnesium பயன்படுத்தப்பட்டது. இதன் மூலம் நேர்மறை மற்றும் எதிர்மறை மின்னூட்டம் கொண்ட dopant அணுக்கள் கிட்டத்தட்ட சம அளவில் இருக்கும் Highly Compensated Semiconductor உருவாக்கப்பட்டது.

இந்த dopant அணுக்கள் படிகத்தில் சீரற்ற முறையில் பரவியிருந்தாலும், X-ray diffraction மற்றும் atomic-resolution electron microscopy பரிசோதனைகள் மூலம் படலம் தொடர்ந்து single-crystalline மற்றும் epitaxial தன்மையுடன் இருப்பது உறுதி செய்யப்பட்டது.

தடிமன் குறையும்போது விளைவு மேலும் அதிகரிப்பு

இந்த புதிய பொருளின் மற்றொரு முக்கிய அம்சம், HDHC ScN படலத்தின் தடிமன் குறைக்கப்பட்டபோது thermoelectric விளைவு மேலும் வலுவடைந்ததாகும்.

ஆராய்ச்சிக் குழுவை வழிநடத்திய Prof. Bivas Saha, தாங்கள் சாதனை படைக்கும் எண்ணத்துடன் இந்த ஆய்வைத் தொடங்கவில்லை என்றும், ScN-ல் disorder மற்றும் charge compensation ஆகியவை electronic transport-ஐ எவ்வாறு மாற்றுகின்றன என்பதைப் புரிந்துகொள்வதே ஆரம்ப நோக்கம் என்றும் தெரிவித்துள்ளார்.

ஆனால் முழுமையாகப் படிகமயமான, epitaxial, single-phase semiconductor ஒன்று liquid electrolyte போன்ற thermoelectric செயல்பாட்டைக் காட்டியது எதிர்பாராத கண்டுபிடிப்பாக அமைந்தது.

Photon Sensor உருவாக்கம்

இந்த கண்டுபிடிப்பின் அடிப்படையில் ஆராய்ச்சியாளர்கள் முன்னோடி photon sensor ஒன்றையும் உருவாக்கியுள்ளனர்.

HDHC ScN படலத்தின் இருபுறமும் chromium contacts பொருத்தப்பட்டன. அதில் ஒரு contact மீது laser ஒளி செலுத்தப்பட்டபோது, அந்த பகுதியில் மிகச்சிறிய வெப்பநிலை வேறுபாடு உருவானது.

அதன் விளைவாக உருவான மின்னழுத்தம் மூலம் –102.4 millivolts per Kelvin அளவிலான Seebeck response பதிவாகியுள்ளது.

இந்த voltage response வேகமாகவும், பல illumination cycles-களிலும் மீண்டும் மீண்டும் ஒரேபோல் செயல்படக்கூடியதாகவும் இருந்தது. மேலும், laser ஒளியால் பொருளின் அடிப்படை தன்மையில் மாற்றம் ஏற்படவில்லை.

இந்த தொழில்நுட்பத்தை மேலும் மேம்படுத்தினால், எதிர்காலத்தில் single-photon அளவிலான ஒளியைக் கூட கண்டறியும் திறன் உருவாகக்கூடும் என ஆராய்ச்சியாளர்கள் கருதுகின்றனர்.

எதிர்கால பயன்பாடுகள்

இந்த கண்டுபிடிப்பு பல்வேறு துறைகளில் புதிய வாய்ப்புகளை உருவாக்கக்கூடும்:

• அதிநுணுக்கமான வெப்பநிலை உணரிகள்
• மிகக் குறைந்த noise கொண்ட thermal imaging
• High-resolution heat-flux detection
• Bolometric devices
• Internet of Things (IoT) sensors
• Photon detectors
• Quantum sensing devices
• Cryogenic single-photon detectors
• Temperature-controlled Seebeck switches
• கழிவு வெப்பத்தை மின்சாரமாக மாற்றும் மேம்பட்ட thermoelectric சாதனங்கள்

குறிப்பாக, quantum technology துறையில் மிகக் குறைந்த அளவிலான ஒளி மற்றும் வெப்ப மாற்றங்களை கண்டறிவதற்கான புதிய தொழில்நுட்பங்களுக்கு இந்த கண்டுபிடிப்பு அடித்தளமாக அமையக்கூடும்.

இந்தியாவின் அறிவியல் ஆராய்ச்சி

இந்த ஆய்வு உலகின் முன்னணி அறிவியல் இதழான Science-ல் வெளியிடப்பட்டுள்ளது.

மேலும், வெப்பநிலை மற்றும் photon detection பயன்பாடுகளுக்கான thermoelectric thin-film materials மற்றும் sensors தொடர்பாக ஆராய்ச்சிக் குழு இந்திய காப்புரிமை விண்ணப்பத்தையும் தாக்கல் செய்துள்ளது.

நூற்றாண்டுகளாக அறியப்பட்ட Seebeck விளைவின் செயல்திறனுக்கு திடப்பொருட்களில் ஒரு வரம்பு இருப்பதாகக் கருதப்பட்ட நிலையில், அந்தக் கருத்தை HDHC ScN ஆய்வு சவால் செய்கிறது.

“திடப்பொருளும் திரவ electrolyte போல மிகப்பெரிய thermoelectric response-ஐ வழங்க முடியும்” என்பதை இந்த ஆய்வு நிரூபித்திருப்பது, எதிர்கால வெப்ப உணரிகள், ஒளி உணரிகள் மற்றும் quantum sensing தொழில்நுட்பங்களில் குறிப்பிடத்தக்க மாற்றத்தை ஏற்படுத்தக்கூடியதாக பார்க்கப்படுகிறது.

(Left-to-right) JNCASR team, Prof. Bivas Saha, Sourav Rudra, Diksha Dadhich, Renuka Karanje and Dheemahi Rao

Publication Link: DOI: 10.1126/science.aef9458

Contact Information: Prof. Bivas Saha (bsaha@jncasr.ac.in)