Influence of Fe Doping on the Structural, Electrical, and Room-Temperature Ethanol Sensing Properties of Sol–Gel Spin-Coated TiO₂ Thin Films
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 0.5% Fe से डोप्ड सोल-जेल स्पिन-कोटेड TiO₂ की पतली फिल्में बेहतर ऑक्सीजन रिक्तियों और चार्ज परिवहन के कारण 500 ppm इथेनॉल के प्रति 19.54 की उच्च प्रतिक्रिया प्राप्त करते हुए, उत्कृष्ट स्थिरता और स्थायित्व बनाए रखते हुए, इष्टतम कमरे के तापमान पर इथेनॉल सेंसिंग प्रदर्शन प्रदर्शित करती हैं।
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आधुनिक दुनिया में, अदृश्य गैसें एक निरंतर उपस्थिति हैं, जो कारों के धुएं, औद्योगिक संयंत्रों और यहाँ तक कि हमारे अपने रसोईघरों से भी निकलती रहती हैं। इनमें से, इथेनॉल—एक सामान्य अल्कोहल जो हैंड सैनिटाइज़र से लेकर ईंधन तक सब कुछ में पाया जाता है—एक विशेष चिंता का विषय है। उपयोगी होने के बावजूद, इसकी वाष्प अत्यधिक ज्वलनशील होती है और यदि समय के साथ उच्च सांद्रता में सांस के जरिए शरीर में जाए, तो गंभीर स्वास्थ्य समस्याएं पैदा कर सकती है। लोगों को सुरक्षित रखने के लिए, इंजीनियरों को ऐसे सेंसर की आवश्यकता है जो इन वाष्पों को घरों या कार्यालयों के शांत, बिना गर्म किए गए कोनों में भी तेजी से और सटीकता से पहचान सकें। दशकों से, वैज्ञानिक इन सेंसरों को बनाने के लिए धातु ऑक्साइड, कठोर, सिरेमिक जैसे पदार्थों पर निर्भर रहे हैं। ये सामग्रियां छोटे इलेक्ट्रॉनिक स्पंज की तरह कार्य करती हैं; जब गैस के अणु उनकी सतह पर उतरते हैं, तो वे सामग्री की बिजली प्रवाहित करने की क्षमता को बदल देते हैं, जिससे गैस की उपस्थिति का संकेत मिलता है। हालांकि, इनमें से अधिकांश सेंसरों को काम करने के लिए तीव्र गर्मी की आवश्यकता होती है, जो बैटरी को खत्म करती है और उन्हें रोजमर्रा के उपयोग के लिए अव्यावहारिक बनाती है। चुनौती यह थी कि इन सेंसरों को अपनी संवेदनशीलता या सटीकता खोए बिना सामान्य कमरे के तापमान पर कैसे काम करने के योग्य बनाया जाए।
भारत में शोधकर्ताओं की एक टीम ने टाइटेनियम डाइऑक्साइड नामक एक सामान्य धातु ऑक्साइड की आंतरिक संरचना में बदलाव करके इसे हल करने की दिशा में एक कदम उठाया है। उन्होंने टाइटेनियम डाइऑक्साइड के घटकों वाले एक तरल मिश्रण से शुरुआत की और उसमें आयरन (लोहा) की सूक्ष्म मात्रा मिलाई, जो एक ऐसी धातु है जिसे अक्सर जंग से जोड़ा जाता है, लेकिन यहाँ इसका उपयोग सामग्री के व्यवहार को बेहतर बनाने के लिए किया गया है। पेंट की एक पतली परत फैलाने के लिए रिकॉर्ड प्लेयर को घुमाने जैसी तकनीक का उपयोग करते हुए, उन्होंने कांच की स्लाइड्स को इस मिश्रण से ढका और उन्हें ठोस, सूक्ष्म फिल्मों के रूप में बनाने के लिए पकाया। लक्ष्य यह देखना था कि क्या आयरन जोड़ने से सूक्ष्मदर्शी के नीचे सामग्री के स्वरूप, बिजली के प्रवाह और सबसे महत्वपूर्ण रूप से, बिना हीटर के इथेनॉल गैस का पता लगाने की इसकी क्षमता में कोई बदलाव आता है। उन्होंने बिना आयरन वाली सामग्री से लेकर एक छोटे प्रतिशत तक, आयरन की विभिन्न मात्राओं वाली फिल्मों का परीक्षण किया, ताकि एक आदर्श संतुलन खोजा जा सके।
परिणामों से पता चला कि मिलाया गया आयरन की मात्रा ही सफलता की कुंजी थी। जब शोधकर्ताओं ने फिल्मों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि आयरन के परमाणु टाइटेनियम के परमाणुओं के बीच के स्थानों में सफाई से समा गए थे, जिससे एक एकल, समान क्रिस्टल संरचना बन गई, जिसमें कोई अवांछित गुच्छे या नई सामग्रियां नहीं बनीं। इस प्रक्रिया ने सामग्री के जालीदार ढांचे (लैटिस) में सूक्ष्म अंतराल पैदा किए, जिन्हें 'ऑक्सीजन रिक्तियां' (oxygen vacancies) कहा जाता है। इन रिक्तियों को एक भीड़ भरी बस में खाली सीटों की तरह समझें; ये वे स्थान हैं जहाँ गैस के अणु आसानी से उतर सकते हैं और परस्पर क्रिया कर सकते हैं। मध्यम मात्रा में आयरन वाली फिल्मों, विशेष रूप से 0.5 प्रतिशत, ने सबसे आशाजनक व्यवहार दिखाया। इस विशिष्ट फिल्म ने 500 पार्ट्स प्रति मिलियन (ppm) की सांद्रता के संपर्क में आने पर 19.54 के रिस्पांस लेवल के साथ इथेनॉल का पता लगाया, जो बिना डोप की गई मूल सामग्री की तुलना में तीन गुना से अधिक है। इसके विपरीत, अधिक मात्रा में आयरन वाली फिल्में बहुत अधिक सुचालक हो गईं और गैस के प्रति तीखी प्रतिक्रिया देने की अपनी क्षमता खो दीं, जिससे पता चलता है कि बहुत अधिक खाली सीटें वास्तव में सिस्टम को भ्रमित कर देती हैं।
यह खोज विशेष रूप से उपयोगी है क्योंकि यह सेंसर कमरे के तापमान, लगभग 30 डिग्री सेल्सियस पर काम करता है, जिससे ऊर्जा की खपत करने वाले हीटिंग तत्वों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। जब सेंसर को इथेनॉल के संपर्क में लाया गया, तो इसका विद्युत प्रतिरोध तेजी से गिर गया, और जब गैस को हटा दिया गया, तो यह 90 सेकंड के भीतर सामान्य स्थिति में वापस आ गया। शोधकर्ताओं ने एक वर्ष तक इस उपकरण का परीक्षण किया, इसे एक शेल्फ पर रखा और पाया कि बारह महीने के बाद भी इसने पहले दिन की तरह ही प्रदर्शन किया। यह बहुत ही चयनात्मक भी साबित हुआ, जिसका अर्थ है कि यह मेथनॉल, एसीटोन या बेंजीन जैसे अन्य सामान्य वाष्पों और इथेनॉल के बीच अंतर कर सकता है, और केवल उसी अल्कोहल के प्रति मजबूती से प्रतिक्रिया करता है जिसे खोजने के लिए इसे बनाया गया है। यहाँ तक कि आर्द्र हवा में भी, जो अक्सर सतह को अवरुद्ध करके इलेक्ट्रॉनिक सेंसरों को भ्रमित कर देती है, इस उपकरण ने संवेदनशीलता में मामूली गिरावट के साथ अपना प्रदर्शन बनाए रखा। आयरन की मात्रा को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, टीम ने एक ऐसी सामग्री बनाई जो न केवल संवेदनशील और तेज है, बल्कि स्थिर और विश्वसनीय भी है, जो भविष्य के सुरक्षित, कम शक्ति वाले वायु गुणवत्ता मॉनिटरों के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करती है।
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