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Structural, optical and magnetic properties of nanostructured Cr-substituted Ni-Zn spinel ferrites synthesized by a microwave combustion method

माइक्रोवेव दहन के माध्यम से संश्लेषित Cr-प्रतिस्थापित Ni-Zn स्पिनल फेराइट के नैनोकण एक एकल-चरण स्पिनल संरचना प्रदर्शित करते हैं, जिसमें Cr³⁺ आयन अधिमानतः B-साइटों पर स्थित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप जालक मापदंडों और बैंड गैप ऊर्जा में कमी, निम्न डोपिंग स्तरों पर संतृप्ति चुंबकत्व में वृद्धि, और मिथाइल ऑरेंज डाई के बेहतर फोटोकैटलिटिक क्षरण का परिणाम प्राप्त होता है।

मूल लेखक: Abdulaziz Abu El-Fadl, Azza M. Hassan, Mohamed A. Kassem

प्रकाशित 2026-04-21

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CC0 1.0

मूल लेखक: Abdulaziz Abu El-Fadl, Azza M. Hassan, Mohamed A. Kassem

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कल्पना कीजिए कि आप एक शेफ हैं जो नन्हे, चुंबकीय कुकीज़ का एक आदर्श बैच बनाने की कोशिश कर रहे हैं। ये सिर्फ साधारण कुकीज़ नहीं हैं; ये नैनोकण (nanoparticles) हैं (इतने छोटे कि आपको उन्हें देखने के लिए एक सुपर-माइक्रोस्कोप की आवश्यकता होगी) जो एक विशेष सामग्री से बने हैं जिसे स्पिनल फेराइट (Spinel Ferrite) कहा जाता है।

इस विशिष्ट रेसिपी में निकल (Ni), जिंक (Zn) और आयरन (Fe) को मिलाना शामिल है। लेकिन इस अध्ययन के शेफ यह देखना चाहते थे कि यदि वे जिंक के कुछ हिस्से को एक अलग सामग्री, यानी क्रोमियम (Cr) से बदल दें, तो क्या होगा। वे यह देखना चाहते थे कि क्या यह "गुप्त मसाला" उनकी कुकीज़ को चुंबक पकड़ने, प्रकाश को पकड़ने या प्रदूषण को साफ करने में बेहतर बनाएगा।

यहाँ उनके प्रयोग की कहानी दी गई है, जिसे सरल अवधारणाओं में विभाजित किया गया है:

1. पकाने की विधि: "माइक्रोवेव विस्फोट" (The Microwave Explosion)

आमतौर पर, इन नन्हे चुंबकीय कणों को बनाने में बहुत समय लगता है और जटिल ओवन की आवश्यकता होती है। लेकिन इन शोधकर्ताओं ने माइक्रोवेव कम्बशन (Microwave Combustion) विधि का उपयोग किया।

उपमा: इसे पॉपकॉर्न बनाने की तरह समझें। आप एक कटोरे में अपने अवयवों (धातु लवण और ग्लाइसिन नामक एक ईंधन) को मिलाते हैं और उन्हें माइक्रोवेव में ज़ैप करते हैं। पॉप होने के बजाय, मिश्रण एक नियंत्रित, तीव्र विस्फोट के साथ आग पकड़ लेता है, जिससे एक फूला हुआ, काला, बादल जैसा पाउडर बन जाता है।
परिणाम: केवल 20 मिनट में, उनकी "कुकीज़" तैयार थीं। यह तेज़ था, सस्ता था और प्रभावी था।

2. संरचना: "डांस फ्लोर" (The Structure: The Dance Floor)

इन कणों के भीतर, परमाणुओं को स्पिनल संरचना नामक एक विशिष्ट नृत्य व्यवस्था में व्यवस्थित किया गया है। एक डांस फ्लोर की कल्पना करें जिसमें दो प्रकार के स्थान हैं:

A-साइट्स (Tetrahedral): छोटे, तंग स्थान।
B-साइट्स (Octahedral): बड़े, अधिक खुले स्थान।

उनके मूल नुस्खे में, जिंक A-साइट्स में रहना पसंद करता था, जबकि आयरन और निकल B-साइट्स में रहना पसंद करते थे। जब उन्होंने क्रोमियम (नया मेहमान) डालना शुरू किया, तो उन्होंने एक दिलचस्प बात देखी: क्रोमियम थोड़ा दबंग (bully) है। यह जिंक से छोटा है और B-साइट्स (खुले स्थानों) पर कब्जा करने के लिए बहुत उत्सुक है।

परिणाम: जैसे ही क्रोमियम ने B-साइट्स में घुसपैrait किया, इसने जिंक परमाणुओं को बाहर निकलने और A-साइट्स की ओर जाने के लिए मजबूर कर दिया। इस "डांस शफल" ने पूरे डांस फ्लोर (क्रिस्टल लैटिस) के आकार को बदल दिया, जिससे यह थोड़ा सिकुड़ गया क्योंकि क्रोमियम उस जिंक से छोटा है जिसकी जगह उसने ली थी।

3. आकार: छोटा लेकिन शक्तिशाली (The Size: Tiny but Mighty)

शोधकर्ताओं ने एक उच्च शक्ति वाले सूक्ष्मदर्शी (TEM) के नीचे अपने कणों को देखा।

आकार: कण लगभग 23 से 32 नैनोमीटर चौड़े थे। इसे समझने के लिए, यदि एक कण कंचे के आकार का होता, तो एक मानव बाल एक फुटबॉल स्टेडियम जितना चौड़ा होता।
आकार (Shape): वे पूर्ण गोले नहीं थे; कई क्यूब्स या ऑक्टाहेड्रोन (हीरे के आकार के) जैसे दिखते थे, जो उच्च गुणवत्ता वाले क्रिस्टल का संकेत है।

4. जादुई शक्तियाँ: प्रकाश और चुंबकत्व (The Magic Powers: Light and Magnetism)

शोधकर्ताओं ने इन नए कणों की दो सुपरपावर्स का परीक्षण किया:

A. प्रकाश पकड़ने वाला (The Light Catcher - Optical Properties)

समस्या: मूल कण धूप के चश्मे की तरह थे जो लगभग सभी प्रकाश को रोक देते थे (एक विस्तृत "ऊर्जा अंतराल" या energy gap)।
समाधान: क्रोमियम जोड़कर, उन्होंने "धूप के चश्मे" को थोड़ा पारदर्शी बना दिया। ऊर्जा अंतराल (वह बाधा जिसे पार करने के लिए प्रकाश को कूदना पड़ता है) छोटा हो गया।
परिणाम: इसने कणों को प्रकाश को बेहतर ढंग से अवशोषित करने में सक्षम बनाया, जो अगली सुपरपावर के लिए महत्वपूर्ण है।

B. प्रदूषण सफाईकर्मी (The Pollution Cleaner - Photocatalysis)

परीक्षण: उन्होंने पानी में एक चमकीले नारंगी रंग का डाई (मिथाइल ऑरेंज) डाला और उस पर UV प्रकाश डाला।
उपमा: कल्पना करें कि कण छोटे सौर-ऊर्जा संचालित सफाईकर्मी हैं। जब प्रकाश उन पर पड़ता है, तो वे जाग जाते हैं और डाई के अणुओं को "खाने" लगते हैं, उन्हें हानिरहित चीजों में तोड़ देते हैं।
परिणाम: उन्होंने जितना अधिक क्रोमियम जोड़ा, सफाईकर्मी उतने ही बेहतर काम करते गए। सबसे अच्छा संस्करण (जिसमें सबसे अधिक क्रोमियम था) ने 6 घंटों में लगभग 30% डाई को साफ कर दिया। यह अभी भी पूर्ण नहीं है, लेकिन यह एक शानदार शुरुआत है!

C. चुंबक (The Magnet - Magnetic Properties)

परीक्षण: उन्होंने यह मापा कि उनके कण एक चुंबक से कितनी मजबूती से चिपक सकते हैं।
आश्चर्य: शुरू में, थोड़ा सा क्रोमियम जोड़ने से चुंबकत्व मजबूत हो गया। क्यों? क्योंकि क्रोमियम चुंबकीय है, और इसने गैर-चुंबकीय जिंक की जगह ली। यह एक शांत रोबोट को एक ऊर्जावान रोबोट से बदलने जैसा था।
टिपिंग पॉइंट: लेकिन यदि उन्होंने बहुत अधिक क्रोमियम डाला, तो चुंबकत्व फिर से गिरने लगा। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि "डांस शफल" बहुत अराजक हो गया, और चुंबकीय बल आपस में लड़ने लगे।
कोर्सिविटी (Coercivity): उन्होंने यह भी देखा कि जैसे-जैसे उन्होंने अधिक क्रोमियम जोड़ा, कण "जिद्दी" होते गए। एक बार चुंबकित होने के बाद, उन्हें डीमैग्नेटाइज करना कठिन हो गया। इसे अपने फ्रिज से चिपके रहने की जिद करने वाले चुंबक की तरह समझें।

मुख्य निष्कर्ष (The Big Takeaway)

यह पेपर अनिवार्य रूप से ट्यूनिंग (tuning) की कहानी है। एक छोटे से घटक (जिंक) को दूसरे (क्रोमियम) से बदलकर और माइक्रोवेव में तेजी से पकाकर, वैज्ञानिकों ने एक नया पदार्थ बनाया जो:

छोटा और अधिक समान (uniform) है।
प्रकाश को बेहतर ढंग से अवशोषित करता है।
पानी को साफ करने के लिए एक बेहतर "सौर-ऊर्जा संचालित सफाईकर्मी" है।
जिसका चुंबकीय सामर्थ्य बदला जा सकता है (tunable)।

यह बिल्कुल एक सूप में नमक की सही मात्रा खोजने जैसा है: बहुत कम हो, तो वह बेस्वाद है; बहुत अधिक हो, तो वह खराब हो जाता है। लेकिन यदि आप इसे बिल्कुल सही कर लेते हैं, तो आपके पास कुछ खास होता है जो हमारे पर्यावरण को साफ करने या भविष्य की तकनीकों को शक्ति देने में मदद कर सकता है।

1. समस्या विवरण और उद्देश्य

स्पिनल फेराइट्स, विशेष रूप से Ni-Zn फेराइट्स, अपने चुंबकीय, ऑप्टिकल और इलेक्ट्रिकल गुणों के लिए व्यापक रूप से अध्ययन किए जाते हैं, जिन्हें धनायन प्रतिस्थापन (cation substitution) के माध्यम से ट्यून किया जा सकता है। जबकि द्विसंयोजक (divalent) आयन प्रतिस्थापन सामान्य हैं, Ni-Zn फेराइट प्रणाली ( $Ni_{0.4}Zn_{0.6-x}Cr_xFe_2O_4$ ) में द्विसंयोजक Zn²⁺ आयनों को त्रिसंयोजक (trivalent) Cr³⁺ आयनों के साथ प्रतिस्थापित करने का विशिष्ट प्रभाव साहित्य में कम खोजा गया है।

इस अध्ययन के प्राथमिक उद्देश्य थे:

एक तीव्र, लागत प्रभावी माइक्रोवेव कम्बशन विधि (microwave combustion method) का उपयोग करके नैनोस्ट्रक्चर्ड Cr-प्रतिस्थापित Ni-Zn फेराइट्स का संश्लेषण करना।
यह जांचना कि Cr³⁺ डोपिंग सामग्री के संरचनात्मक, ऑप्टिकल और चुंबकीय गुणों को कैसे प्रभावित करती है।
धनायन वितरण (इनवर्जन फैक्टर) और ऑक्सीकरण अवस्थाओं का विश्लेषण करना ताकि चार्ज बैलेंस तंत्र को समझा जा सके।
सामग्री की फोटोकैटलिटिक अनुप्रयोगों (विशेष रूप से मिथाइल ऑरेंज क्षरण) और चुंबकीय अनुप्रयोगों के लिए क्षमता का मूल्यांकन करना।

2. कार्यप्रणाली

संश्लेषण (Synthesis): सामान्य सूत्र $Ni_{0.4}Zn_{0.6-x}Cr_xFe_2O_4$ (जहाँ $x = 0.0$ से $0.6$) वाले नैनोकणों को माइक्रोवेव कम्बशन मार्ग का उपयोग करके संश्लेषित किया गया। धातु नाइट्रेट्स (Zn, Ni, Fe, Cr) और ग्लाइसिन (ईंधन) की स्टोइकोमेट्रिक मात्रा को पानी में घोला गया और 20 मिनट के लिए 800 W माइक्रोवेव ओवन के अधीन रखा गया।
विशेषण तकनीकें (Characterization Techniques):
- संरचनात्मक (Structural): Rietveld रिफाइनमेंट और विलियमसन-हॉल विश्लेषण के साथ एक्स-रे विवर्तन (XRD); ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM); फूरियर ट्रांसफॉर्म इंफ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (FT-IR)।
- रासायनिक/संयोजकता (Chemical/Valence): ऑक्सीकरण अवस्थाओं और धनायन वितरण को निर्धारित करने के लिए एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS)।
- ऑप्टिकल (Optical): बैंड गैप ऊर्जा और फोटोकैटलिटिक दक्षता (UV-Vis प्रकाश के तहत मिथाइल ऑरेंज डाई का क्षरण) निर्धारित करने के लिए UV-Vis स्पेक्ट्रोस्कोपी।
- चुंबकीय (Magnetic): हिस्टेरेसिस लूप, संतृप्ति चुंबकत्व ( $M_s$ ), और कोएर्सिविटी ( $H_c$ ) को मापने के लिए रूम टेम्परेचर पर वाइब्रेटिंग सैंपल मैग्नेटोमेट्री (VSM)।

3. प्रमुख योगदान और परिणाम

A. संरचनात्मक गुण

फेज शुद्धता (Phase Purity): XRD और FT-IR ने अशुद्धि चरणों के बिना एकल-फेज क्यूबिक स्पिनल संरचना ( $Fd\bar{3}m$ ) के निर्माण की पुष्टि की।
लैटिस संकुचन (Lattice Contraction): जैसे-जैसे Cr की मात्रा बढ़ी, लैटिस पैरामीटर ( $a$ ) 8.428 Å से 8ç351 Å तक निरंतर कम हुआ। यह वेगर्ड के नियम (Vegard's law) का अनुसरण करता है और ऑक्टाहेड्रल B-साइट में Zn²⁺ (0.74 Å) के स्थान पर छोटे आयनिक त्रिज्या वाले Cr³⁺ (0.615 Å) के प्रतिस्थापन के कारण है।
क्रिस्टलाइट आकार (Crystallite Size): औसत क्रिस्टलाइट आकार 23 nm से 32 nm के बीच रहा (XRD और विलियमसन-हॉल विधि द्वारा अनुमानित), जो TEM अवलोकनों (23–33 nm) के अनुरूप है।
धनायन वितरण (Cation Distribution): Rietveld रिफाइनमेंट और XPS विश्लेषण ने Cr डोपिंग के साथ बढ़ते इनवर्जन फैक्टर ( $\delta$ ) को प्रकट किया।
- Cr³⁺ आयन दृढ़ता से ऑक्टाहेड्रल (B) साइटों को प्राथमिकता देते हैं।
- Cr³⁺ को B-साइट में समायोजित करने के लिए, Zn²⁺ आयन टेट्राहेड्रल (A) साइटों की ओर प्रवास करते हैं, और चार्ज बैलेंस बनाए रखने के लिए Fe³⁺ आयन भी स्थानांतरित होते हैं।
- चार्ज बैलेंस तंत्र: XPS ने पुष्टि की कि Zn²⁺ के स्थान पर Cr³⁺ प्रतिस्थापन विद्युत तटस्थता बनाए रखने के लिए Fe³⁺ के आंशिक न्यूनीकरण (reduction) से Fe²⁺ में बदल जाता है, जिसके परिणामस्वरूप संरचना $(Ni^{2+})_{0.4}(Zn^{2+}, Cr^{3+})_{0.6}(Fe^{2+}, Fe^{3+})_2(O^{2-})_4$ होती है।

B. ऑप्टिकल गुण

बैंड गैप में कमी (Band Gap Reduction): जैसे-जैसे Cr सांद्रता बढ़ी, ऑप्टिकल बैंड गैप ( $E_g$ ) 3.90 eV से घटकर 3.78 eV हो गया। यह कमी डोपिंग और लैटिस दोषों के कारण उप-बैंड-गैप ऊर्जा स्तरों के निर्माण के कारण है।
फोटोकैटलिटिक गतिविधि (Photocatalytic Activity): कम बैंड गैप ने मिथाइल ऑरेंज (MO) डाई के फोटोकैटलिटिक क्षरण को बढ़ाया।
- उच्चतम Cr सामग्री ( $x=0.6$ ) वाले नमूने ने सबसे अच्छा प्रदर्शन दिखाया, जिसने UV विकिरण के 6 घंटे बाद MO डाई का लगभग 30–32% क्षरण प्राप्त किया।
- गतिविधि सीधे बैंड गैप ऊर्जा में कमी के साथ सह-संबंधित थी, जो बेहतर इलेक्ट्रॉन-होल पेयर जनरेशन को सुगम बनाती है।

C. चुंबकीय गुण

संतृप्ति चुंबकत्व ( $M_s$ ):
- $M_s$ शुरू में 60 emu/g ( $x=0$ ) से बढ़कर **67 emu/g ( $x=0.1$ )** के शिखर तक बढ़ा।
- $x=0.2$ के बाद, $M_s$ निरंतर रूप से घटता गया।
- व्याख्या: प्रारंभिक वृद्धि B-साइट में गैर-चुंबकीय Zn²⁺ (0 $\mu_B$ ) के स्थान पर चुंबकीय Cr³⁺ (3 $\mu_B$ ) के प्रतिस्थापन के कारण है, जिससे शुद्ध चुंबकीय क्षण ( $\mu_{net} = \mu_B - \mu_A$ ) बढ़ जाता है। इसके बाद की गिरावट इसलिए होती है क्योंकि आगे की Cr डोपिंग अधिक चुंबकीय Fe³⁺ (5 $\mu_B$ ) को B-साइट से A-साइट की ओर धकेलती है, जिससे शुद्ध क्षण का अंतर कम हो जाता है।
कोएर्सिविटी ( $H_c$ ): कोएर्सिविटी ने पूरे डोपिंग रेंज में एक सामान्य बढ़ती हुई प्रवृत्ति दिखाई, जिसका श्रेय Cr के बढ़ते मैग्नेटोक्रिस्टलाइन एनिसोट्रॉपी (magnetocrystalline anisotropy) और क्रिस्टलाइट आकार में भिन्नता को दिया जाता है।

4. महत्व और निष्कर्ष

यह अध्ययन सफलतापूर्वक प्रदर्शित करता है कि माइक्रोवेव कम्बशन विधि उच्च गुणवत्ता वाले, एकल-फेज Cr-डॉप्ड Ni-Zn फेराइट नैनोकणों के संश्लेषण के लिए एक कुशल मार्ग है।

वैज्ञानिक प्रभाव: यह शोध स्पिनल फेरेट्स में द्विसंयोजक आयनों को त्रिसंयोजक आयनों द्वारा प्रतिस्थापित करने पर जटिल धनायन पुनर्वितरण तंत्र को स्पष्ट करता है, विशेष रूप से चार्ज न्यूट्रलिटी बनाए रखने के लिए Fe³⁺ के Fe²⁺ में न्यूनीकरण की भूमिका को रेखांकित करता है।
तकनीकी अनुप्रयोग:
- फोटोकैटलिसिस: ट्यूनेबल बैंड गैप और बढ़ी हुई फोटोकैटलिटिक गतिविधि इन सामग्रियों को पर्यावरणीय उपचार (डाई क्षरण) के लिए आशाजनक उम्मीदवार बनाती है।
- चुंबकीय उपकरण: Cr सांद्रता को बदलकर संतृप्ति चुंबकत्व और कोएर्सिविटी को ट्यून करने की क्षमता इन सामग्रियों को विशिष्ट सॉफ्ट मैग्नेटिक अनुप्रयोगों, जैसे कि हाई-फ्रीक्वेंसी ट्रांसफार्मर या मैग्नेटिक रिकॉर्डिंग मीडिया के लिए अनुकूलित करने की अनुमति देती है।

संक्षेप में, यह पेपर संश्लेषण मापदंडों, संरचनात्मक संशोधनों और कार्यात्मक गुणों के बीच एक व्यापक सहसंबंध प्रदान करता है, जो Cr-डॉप्ड Ni-Zn फेराइट्स को अनुकूलित ऑप्टिकल और चुंबकीय व्यवहार वाले बहुमुखी नैनोमटेरियल्स के रूप में स्थापित करता है।