Tailoring Oxygen Vacancies and Surface Morphology in Ni-Doped FeMnO3 Thin Films for High-Performance Ammonia Sensing
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि Ni-डोपेड FeMnO₃ पतली फिल्में, विशेष रूप से 3 wt.% Ni डोपिंग के साथ, ऑक्सीजन रिक्तियों, सतह की खुरदरापन और आवेश परिवहन में सहक्रियात्मक संवर्द्धन के माध्यम से उच्च प्रदर्शन, कमरे के तापमान पर अमोनिया सेंसिंग प्राप्त करती हैं, जिसके परिणामस्वरूप उत्कृष्ट चयनात्मकता, तीव्र प्रतिक्रिया और दीर्घकालिक स्थिरता प्राप्त होती है।
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गैसों की अदृश्य दुनिया में, कुछ अणु हानिरहित होते हैं, जबकि अन्य बहुत कम मात्रा में भी खतरनाक हो सकते हैं। अमोनिया इनमें से एक जटिल पदार्थ है। यह आधुनिक उद्योग का एक कार्यबल है, जो फसलों को खिलाने वाले उर्वरक बनाने और भोजन को ताजा रखने वाली शीतलन प्रणालियों (कूलिंग सिस्टम) के लिए आवश्यक है। फिर भी, यदि यह उन स्थानों पर हवा में लीक हो जाता है जहाँ लोग रहते या काम करते हैं, तो यह आँखों, त्वचा और फेफड़ों में जलन पैदा कर सकता है, जिससे स्वास्थ्य का गंभीर खतरा पैदा होता है। लोगों को सुरक्षित रखने के लिए, वैज्ञानिकों ने लंबे समय से ऐसे सेंसर बनाने के तरीके खोजे हैं जो इन लीकेजों को तुरंत सूंघ सकें। इस काम के लिए सबसे आम उपकरण धातु ऑक्साइड से बने होते हैं, जो ऐसे पदार्थ हैं जो विशिष्ट गैसों के संपर्क में आने पर अपने विद्युत व्यवहार को बदलते हैं। हालांकि, पारंपरिक सेंसरों को काम करने के लिए बहुत उच्च तापमान तक गर्म करने की आवश्यकता होती है, जिसमें बहुत अधिक बिजली खर्च होती है और उन्हें पोर्टेबल उपकरणों में उपयोग करना कठिन बना देती है। चुनौती एक ऐसे पदार्थ को खोजने की रही है जो इन गैसों का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हो, बिना उस बाहरी गर्मी की आवश्यकता के, जिससे एक ऐसा सेंसर मिल सके जो शक्तिशाली और ऊर्जा-कुशल दोनों हो।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने कमरे के तापमान पर अमोनिया का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किए गए एक नए प्रकार के 'थिन फिल्म' (पतली परत) को बनाकर इस समस्या को हल करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने आयरन मैंगनीज ऑक्साइड नामक एक सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया, जो गैसों के साथ परस्पर क्रिया करने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है। इस सामग्री को और भी बेहतर बनाने के लिए, उन्होंने इसकी संरचना में निकल की थोड़ी मात्रा मिलाई, जो एक सामान्य धातु है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह सरल जुड़ाव इस सामग्री की आंतरिक वास्तुकला और सतह की बनावट को इस तरह बदल सकता है जिससे यह अमोनिया के प्रति अधिक संवेदनशील हो जाए। स्प्रे पायरोलिसिस नामक एक तकनीक का उपयोग करते हुए, जो अनिवार्य रूप से एक गर्म सतह पर तरल रासायनिक मिश्रण को छिड़ककर एक ठोस कोटिंग बनाने की एक विधि है, उन्होंने कांच की स्लाइडों पर इस डोप्ड सामग्री की पतली परतें विकसित कीं। उन्होंने निकल की विभिन्न मात्राओं के साथ कई संस्करणों का परीक्षण किया ताकि सही संतुलन पाया जा सके।
परिणामों ने दिखाया कि निकल मिलाने ने वास्तव में सामग्री को बदल दिया। जब शोधकर्ताओं ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे इन फिल्मों का परीक्षण किया, तो उन्होंने देखा कि निकल ने इस बात को बदल दिया कि सामग्री के छोटे कण कैसे बढ़ते और जुड़ते हैं। सबसे अच्छा संस्करण, जिसमें वजन के अनुसार तीन प्रतिशत निकल था, ने अन्य संस्करणों की तुलना में अधिक खुरदरी और छिद्रपूर्ण सतह विकसित की। यह खुरदरापन महत्वपूर्ण है क्योंकि यह अधिक कोने और खांचे बनाता है जहाँ गैस के अणु उतर सकते हैं और परस्पर क्रिया कर सकते हैं। भौतिक परिवर्तनों के अलावा, निकल ने सामग्री की क्रिस्टल संरचना में सूक्ष्म दोष भी पेश किए, विशेष रूप से उन खाली स्थानों को बनाया जहाँ ऑक्सीजन परमाणुओं को होना चाहिए था। ये गायब ऑक्सीजन परमाणु सक्रिय साइटों की तरह कार्य करते हैं, जो उत्सुकता से हवा से ऑक्सीजन अणुओं को पकड़ते हैं और सतह को अमोनिया के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए तैयार करते हैं।
जब टीम ने इन फिल्मों का परीक्षण किया, तो निकल की इष्टतम मात्रा वाली फिल्म एक उत्कृष्ट प्रदर्शन करने वाली साबित हुई। यह पांच पार्ट्स प्रति मिलियन (ppm) जितनी कम सांद्रता पर भी अमोनिया का पता लगा सकती थी, जो सुरक्षा निगरानी के लिए एक महत्वपूर्ण स्तर है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इसने बिना किसी बाहरी हीटिंग के, पूरी तरह से आसपास की हवा के तापमान पर काम किया। अमोनिया के संपर्क में आने पर, सेंसर की विद्युत धारा तेजी से बदली, जो एक मजबूत प्रतिक्रिया का संकेत देती है। सेंसर को अपने शिखर प्रतिक्रिया तक पहुँचने में लगभग 136 सेकंड और गैस हटने के बाद सामान्य होने में 94 सेकंड लगे। डिवाइस ने इथेनॉल या एसीटोन जैसी अन्य सामान्य गैसों को अनदेखा करने की भी उल्लेखनीय क्षमता दिखाई, जिससे उसका ध्यान लगभग विशेष रूप से अमोनिया पर केंद्रित रहा। यह चयनात्मकता (सेलेक्टिविटी) महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सुनिश्चित करती है कि सेंसर अन्य हानिरहित वाष्पों की उपस्थिति में गलत अलार्म न दे।
शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि सेंसर समय के साथ और विभिन्न मौसमों में कैसा प्रदर्शन करता है। उन्होंने पाया कि यह सात सप्ताह की अवधि में स्थिर और विश्वसनीय रहा, और गैस का पता लगाने की अपनी क्षमता को लगातार बनाए रखा। यहाँ तक कि जब हवा में नमी थी, जो अक्सर इलेक्ट्रॉनिक सेंसरों में बाधा डालती है, डिवाइस ने अच्छी तरह से कार्य करना जारी रखा, हालांकि नमी बढ़ने के साथ इसकी संवेदनशीलता थोड़ी कम हो गई। यह लचीलापन बताता है कि यह सामग्री वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत है। इस सेंसर की सफलता कारकों के संयोजन से आई है: निकल डोपिंग ने एक अधिक सक्रिय सतह बनाई, ऑक्सीजन रिक्तियों (वेकेंसी) की संख्या बढ़ाई जो गैस के अणुओं को पकड़ने में मदद करती हैं, और सामग्री के माध्यम से बिजली के प्रवाह में सुधार किया। इन गुणों को अनुकूलित करके, टीम ने प्रदर्शित किया कि एक सरल, कम लागत वाली निर्माण प्रक्रिया एक उच्च-प्रदर्शन वाले सेंसर का उत्पादन कर सकती है जो रोजमर्रा के वातावरण में चुपचाप और कुशलता से काम करने में सक्षम है।
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