Color tunability and temperature sensing in transparent Dy3+/Eu3+ co-doped KGd2F7 oxyfluoride glass ceramics
पारदर्शी Dy³⁺/Eu³⁺ सह-डोप्ड KGd₂F₇ ऑक्सीफ्लोराइड ग्लास-सिरेमिक्स को कुशल क्वाड्रुपोल-क्वाड्रुपोल ऊर्जा हस्तांतरण के माध्यम से ट्यूनेबल पीली-से-नारंगी-लाल उत्सर्जन और उच्च-परिशुद्धता ऑप्टिकल थर्मोमेट्री प्राप्त करने के लिए सफलतापूर्वक विकसित किया गया था, जो उन्हें मल्टीकलर डिस्प्ले और तापमान संवेदन अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक उम्मीदवार बनाता है।
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प्रकाश और डिस्प्ले लंबे समय से उन सामग्रियों पर निर्भर रहे हैं जो ऊर्जा के प्रहार से चमकती हैं, लेकिन एक ऐसी एकल पदार्थ खोजना जो मांग पर अपना रंग बदल सके और साथ ही एक सटीक थर्मामीटर के रूप में भी कार्य कर सके, वैज्ञानिकों के लिए एक बड़ी चुनौती रही है। इस चुनौती की कुंजी दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों (rare-earth elements) में निहित है, जो धातुओं का एक समूह है जो उत्तेजित होने पर बहुत विशिष्ट रंगों का प्रकाश उत्सर्जित करने की अपनी क्षमता के लिए जाने जाते हैं। जब इन तत्वों को एक ठोस सामग्री के भीतर फँसाया जाता है, तो वे एक-दूसरे के बीच ऊर्जा स्थानांतरित कर सकते हैं, जिससे शोधकर्ता रंगों को वैसे ही मिला सकते हैं जैसे एक चित्रकार रंगों (pigments) को मिलाता है। हालाँकि, इन परमाणुओं के आसपास का वातावरण अत्यंत महत्वपूर्ण है; यदि सामग्री बहुत कठोर या अव्यवस्थित है, तो प्रकाश ऊष्मा के रूप में नष्ट हो जाता है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर ग्लास-सिरेमिक्स की ओर मुड़ते हैं, जो एक हाइब्रिड सामग्री है जो कांच की पारदर्शिता को क्रिस्टल की व्यवस्थित परमाणु संरचना के साथ जोड़ती है। इन सामग्रियों को सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, शोधकर्ता एक ऐसा होस्ट बना सकते हैं जो चमकने वाले परमाणुओं की रक्षा करता है, जिससे वे उज्ज्वल रूप से चमक सकें और कुशलतापूर्वक परस्पर क्रिया कर सकें, जो ऐसे उपकरणों के द्वार खोलता है जो केवल कमरे को रोशन करने से कहीं अधिक कर सकते हैं।
हाल ही में एक अध्ययन में, चीन के निंगबो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने ठीक ऐसा करने के लिए डिज़ाइन किया गया एक नया प्रकार का पारदर्शी ग्लास-सेरेमिक बनाया। उन्होंने सिलिका और बोरॉन सहित सामान्य कांच की सामग्रियों के मिश्रण से शुरुआत की, और इसमें डिस्प्रोसियम (dysprosium) और यूरोपियम (europium), दो दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों की विशिष्ट मात्रा मिलाई। इस मिश्रण को बहुत उच्च तापमान पर पिघलाया गया और फिर एक स्पष्ट कांच बनाने के लिए तेजी से ठंडा किया गया। इस कांच को ग्लास-सेरेमिक में बदलने के लिए, टीम ने इसे कुछ घंटों के लिए कम तापमान पर फिर से गर्म किया। इस दूसरे हीटिंग स्टेप के कारण कांच के भीतर सूक्ष्म क्रिस्टल बन गए, जिससे कांच धुंधला नहीं हुआ। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि ये क्रिस्टल, जो KGd2F7 नामक यौगिक से बने थे, पूरी तरह से गोल और अविश्वसनीय रूप से छोटे थे, जिनका आकार लगभग 15.7 नैनोमीटर था। चूंकि वे दृश्य प्रकाश की तरंग दैर्ध्य (wavelength) से बहुत छोटे हैं, इसलिए वे प्रकाश को बिखेरते नहीं हैं, जिससे अंतिम सामग्री खिड़की के शीशे की तरह साफ रहती है।
इस सामग्री का असली जादू यह है कि दोनों दुर्लभ-पृथ्वी तत्व एक साथ कैसे काम करते हैं। जब शोधकर्ताओं ने नमूने पर निकट-पराबैंगनी (near-ultraviolet) प्रकाश डाला, तो डिस्प्रोसियम आयनों ने ऊर्जा को अवशोषित किया और चमकने लगे, मुख्य रूप से पीली और नीली रोशनी उत्सर्जित की। हालाँकि, टीम ने देखा कि डिस्प्रोसियम ने वह सारी ऊर्जा अपने पास नहीं रखी। इसके बजाय, इसने ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा पास के यूरोपियम आयनों को स्थानांतरित कर दिया। ऊर्जा के इस हस्तांतरण ने यूरोपियम को गहरे नारंगी-लाल रंग में तीव्रता से चमका दिया। मिश्रण में जोड़े गए यूरोपियम की मात्रा को बदलकर, शोधकर्ता सामग्री द्वारा उत्सर्जित प्रकाश के रंग को सुचारू रूप से बदल सकते थे। बहुत कम यूरोपियम के साथ, कांच गर्म पीला चमकता था। जैसे-जैसे उन्होंने यूरोपियम की मात्रा बढ़ाई, रंग नारंगी से गुजरते हुए एक समृद्ध, शुद्ध लाल रंग में बदल गया। रंग को निरंतर ट्यून करने की यह क्षमता इस सामग्री को कस्टम लाइटिंग या उच्च-गुणवत्ता वाले डिस्प्ले बनाने के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बनाती है जहाँ विशिष्ट रंगों की आवश्यकता होती है।
केवल रंग बदलने के अलावा, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह सामग्री उल्लेखनीय सटीकता के साथ तापमान भी माप सकती है। उन्होंने पाया कि सामग्री द्वारा उत्सर्जित दो रंग—डिसप्रोसियम से पीला और यूरोपियम से लाल—ऊष्मा के प्रति अलग-अलग प्रतिक्रिया करते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, पीली रोशनी लाल रोशनी की तुलना में बहुत तेजी से फीकी पड़ती है। इन दोनों रंगों की चमक की तुलना करके, सामग्री एक अंतर्निहित थर्मामीटर के रूप में कार्य कर सकती है। टीम ने तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में, 25°C से 275°C तक, इस गुण का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि सामग्री अत्यधिक संवेदनशील थी, जो गर्मी के सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाने में सक्षम थी। वास्तव में, कमरे के तापमान पर, सिस्टम 0.021 डिग्री सेल्सियस जितने छोटे तापमान अंतर को भी पहचान सकता था। सटीकता का यह स्तर बताता है कि इस सामग्री का उपयोग उन स्थितियों में किया जा सकता है जहाँ सटीक, गैर-संपर्क तापमान रीडिंग महत्वपूर्ण है, जैसे कि जैविक निगरानी या पर्यावरणीय संवेदन में।
अध्ययन ने यह सुनिश्चित करने के लिए यह भी बारीकी से देखा कि ऊर्जा एक परमाणु से दूसरे परमाणु में कितनी कुशलता से चलती है। प्रारंभिक ऊर्जा पल्स के बाद प्रकाश कितनी देर तक रहता है, इसका मापन करके, टीम ने गणना की कि दोनों तत्वों के बीच ऊर्जा हस्तांतरण अत्यधिक प्रभावी था, जो 55 प्रतिशत से अधिक तक पहुँच गया। उन्होंने निर्धारित किया कि यह हस्तांतरण परमाणुओं के विद्युत क्षेत्रों के बीच एक विशिष्ट प्रकार की परस्पर क्रिया के माध्यम से हुआ, न कि साधारण टकरावों या अन्य तंत्रों के माध्यम से। यह निष्कर्ष पुष्टि करता है कि उनके द्वारा बनाए गए क्रिस्टल संरचना ने इन दुर्लभ-पृथ्वी आयनों के संवाद करने के लिए एक आदर्श वातावरण प्रदान किया है। परिणाम संकेत देते हैं कि यह पारदर्शी ग्लास-सेरेमिक केवल एक प्रयोगशाला जिज्ञासा नहीं है बल्कि एक व्यावहारिक सामग्री है जो ट्यूनेबल, उच्च-गुणवत्ता वाली रोशनी उत्पन्न करने की क्षमता और एक उच्च-परिशुद्धता सेंसर के कार्य को जोड़ती है, जो भविष्य की ऑप्टिकल प्रौद्योगिकियों के लिए एक बहुमुखी समाधान पेश करती है।
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