Enhanced structural and electrical properties of copper-substituted Lead Zirconate Titanate ceramics using impedance spectroscopy for device applications
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सोल-जेल द्वारा संश्लेषित पीजेटी (PZT) सिरेमिक में कॉपर डोपिंग संरचनात्मक चरण संक्रमण (structural phase transitions) को प्रेरित करती है, अनाज के आकार (grain size) को कम करती है, और विद्युत गुणों को महत्वपूर्ण रूप से परिवर्तित करती है, जिसमें प्रतिरोधकता के ऋणात्मक से धनात्मक तापीय गुणांक व्यवहार में बदलाव और बढ़ी हुई सक्रियण ऊर्जा शामिल है, जिससे डिवाइस अनुप्रयोगों के लिए सामग्री की क्षमता में वृद्धि होती है।
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आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, कार के सेंसर से लेकर स्मार्टफोन के छोटे मोटरों तक, एक प्रकार के पदार्थ होते हैं जिन्हें सिरेमिक (ceramics) कहा जाता है, जो एक शांत लेकिन महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। ये रसोई के मिट्टी के बर्तनों जैसे नहीं हैं, बल्कि अत्यधिक इंजीनियर किए गए पदार्थ हैं जो बिजली को गति में, या गति को बिजली में बदलने में सक्षम हैं। इनमें सबसे महत्वपूर्ण सामग्री 'लेड जिरकोनेट टाइटनेट' (lead zirconate titanate) नामक एक पदार्थ है, एक ऐसा सिरेमिक जो विद्युत संकेतों और भौतिक बल के बीच एक सेतु की तरह कार्य करता है। इसका प्रदर्शन काफी हद तक इसकी आंतरिक संरचना पर निर्भर करता है, विशेष रूप से इसके परमाणुओं की व्यवस्था पर, जो तापमान और संरचना के आधार पर विभिन्न ज्यामितीय पैटर्न के बीच बदल सकती है। इन सामग्रियों को विशिष्ट उपकरणों के लिए बेहतर बनाने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर अन्य तत्वों की सूक्ष्म मात्रा मिलाते हैं, जिसे 'डोपिंग' (doping) कहा जाता है। यह किसी व्यंजन का स्वाद बदलने के लिए उसमें नमक का एक चुटकी डालना जैसा है, लेकिन इस मामले में, लक्ष्य यह ट्यून करना है कि सामग्री बिजली का संचालन कैसे करती है या ऊर्जा कैसे संचित करती है। चुनौती यह समझने में निहित है कि ये सूक्ष्म परिवर्धन सामग्री के व्यवहार को ठीक से कैसे बदलते हैं, विशेष रूप से जब सामग्री को गर्म या ठंडा किया जाता है, क्योंकि ये परिवर्तन ही यह निर्धारित करते हैं कि क्या वह सिरेमिक वास्तविक दुनिया के उपकरण में उपयोगी होगा।
सिदी मोहम्मद बेन अब्डेला विश्वविद्यालय, मोरक्को की एक शोध टीम ने यह पता लगाने के लिए हाथ बढ़ाया कि जब वे इस लेड जिरकोनेट टाइटनेट सिरेमिक में कॉपर (तांबा) पेश करते हैं तो क्या होता है। उन्होंने ऐसे नमूनों की एक श्रृंखला बनाई जहाँ कॉपर ने लेड परमाणुओं के एक छोटे हिस्से को प्रतिस्थापित किया, जिसमें कॉपर की चार अलग-अलग सांद्रता स्तरों का परीक्षण किया गया। उन्होंने 'सोल-जेल प्रक्रिया' (sol-gel process) का उपयोग करके इन नए पदार्थों का संश्लेषण किया, जिसमें तरल रसायनों को मिलाकर एक ठोस पाउडर बनाया जाता है। इसके बाद उन्होंने पाउडर को छोटे, चपटे डिस्क में दबाया और दानों को आपस में जोड़ने के लिए उन्हें बहुत उच्च तापमान पर गर्म किया, जिससे ठोस सिरेमिक टुकड़े बन गए। टीम यह देखना चाहती थी कि कॉपर के प्रतिस्थापन ने सामग्री की आंतरिक संरचना और बिजली का संचालन करने की इसकी क्षमता को, विशेष रूप से तापमान बदलने पर, कैसे बदला।
अपने नए सिरेमिक की संरचना को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने सबसे पहले एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करके उनका अध्ययन किया, जो किसी सामग्री के भीतर परमाणुओं की व्यवस्था को प्रकट करने वाली एक तकनीक है। उन्होंने पाया कि कॉपर ने सामग्री की मौलिक संरचना को नष्ट नहीं किया; इसके बजाय, सिरेमिक ने दो विशिष्ट परमाणु पैटर्न का मिश्रण बनाए रखा, एक जो समचतुर्भुज (rhombus) के आकार का था और दूसरा जो एक वर्गाकार प्रिज्म (square prism) जैसा था। इस मिश्रण को इस प्रकार की सामग्रियों में प्रदर्शन के लिए एक 'स्वीट स्पॉट' माना जाता है। हालाँकि, जैसे-जैसे उन्होंने कॉपर की मात्रा बढ़ाई, सिरेमिक को बनाने वाले सूक्ष्म क्रिस्टल छोटे होते गए। शोधकर्ताओं ने इन क्रिस्टल के आकार को मापा और पाया कि एक स्पष्ट रुझान है: जितना अधिक कॉपर जोड़ा गया, क्रिस्टल उतने ही छोटे होते गए। जब उन्होंने सूक्ष्मदर्शी के नीचे सिरेमिक की सतह को देखा, तो उन्होंने पाया कि दाने घने और अनियमित आकार के थे, लेकिन कॉपर की मात्रा बढ़ने के साथ इन दानों का औसत आकार थोड़ा घट गया। आकार में यह कमी यह संकेत देती है कि कॉपर परमाणु गर्मी की प्रक्रिया के दौरान दानों के विकास में बाधा डालते हैं, जिससे वे प्रभावी रूप से छोटे और अधिक सघन रहते हैं।
टीम ने गर्मी और बिजली के प्रति सामग्री की प्रतिक्रिया पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने तापमान बढ़ने के साथ सामग्री की विद्युत ऊर्जा को संचित करने की क्षमता, जिसे 'डाइइलेक्ट्रिक कांस्टेंट' (dielectric constant) कहा जाता है, को मापा। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, सामग्री की ऊर्जा संचय करने की क्षमता बढ़ी और एक शिखर (peak) तक पहुँचने के बाद इसमें गिरावट आई। उच्च आवृत्ति माप के उपयोग के साथ यह शिखर निम्न तापमान की ओर खिसक गया, जिसे 'डाइइलेक्ट्रिक रेजोनेंस' (dielectric resonance) कहा जाता है। यह घटना इसलिए होती है क्योंकि सामग्री के भीतर विद्युत आवेश तेजी से बदलते बाहरी विद्युत क्षेत्र के साथ तालमेल नहीं बिठा पाते हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी मापा कि इस प्रक्रिया के दौरान कितनी ऊर्जा ऊष्मा के रूप में नष्ट होती है। उन्होंने पाया कि ऊर्जा की हानि तापमान और सिग्नल की आवृत्ति पर बहुत अधिक निर्भर करती है, जिसमें कुछ बिंदुओं पर हानि तेजी से बढ़ती है और फिर स्थिर हो जाती है।
अध्ययन का शायद सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा सामग्री की बिजली के प्रति प्रतिरोध (resistance) को मापने में शामिल था। 'इलेक्ट्रिकल इम्पीडेंस' (electrical impedance) का विश्लेषण करके, जो बिजली के प्रवाह का विरोध करने का एक माप है, शोधकर्ता देख सके कि बिजली सिरेमिक के दानों के माध्यम से कैसे चलती है। कम कॉपर सामग्री वाले नमूनों के लिए, तापमान बढ़ने के साथ प्रतिरोध कम हुआ, जिसे 'नेगेटिव थर्मल कोएफिशिएंट ऑफ रेसिस्टिविटी' (negative thermal coefficient of resistivity) कहा जाता है। इसका अर्थ है कि गर्म होने पर सामग्री बेहतर चालक बन गई। हालाँकि, उच्चतम कॉपर सामग्री वाले नमूने के लिए, व्यवहार उलट गया: तापमान बढ़ने के साथ प्रतिरोध बढ़ गया, जिसे 'पॉजिटिव थर्मल कोएफिशिएंट ऑफ रेसिस्टिविटी' (positive thermal coefficient of resistivity) कहा जाता है। व्यवहार में यह बदलाव इंगित करता है कि कॉपर डोपिंग ने मौलिक रूप से सामग्री के माध्यम से बिजली के यात्रा करने के तरीके को बदल दिया।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, शोधकर्ताओं ने 'एक्टिवेशन एनर्जी' (activation energy) की गणना की, जो कि सामग्री के भीतर विद्युत आवेशों को एक स्थान से दूसरे स्थान पर कूदने के लिए आवश्यक ऊर्जा है। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे कॉपर की मात्रा बढ़ी, इन आवेशों के चलने के लिए आवश्यक ऊर्जा भी बढ़ गई। यह सुझाव देता है कि कॉपर परमाणु विद्युत वाहकों (जो संभवतः ऑक्सीजन रिक्तियां या 'oxygen vacancies' हैं—ऐसे ऑक्सीजन परमाणु जो इस प्रकार के सिरेमिक में चलते हुए आवेश के रूप में कार्य करते हैं) के लिए एक थोड़ा कठिन मार्ग बनाते हैं। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि कॉपर मिलाने से क्रिस्टल छोटे हो जाते हैं और चालन (conduction) के लिए आवश्यक ऊर्जा बदल जाती है, लेकिन यह वैज्ञानिकों को सामग्री के विद्युत व्यवहार को ट्यून करने की अनुमति भी देता है। कॉपर की मात्रा को समायोजित करके, वे सिरेमिक को एक प्रकार की विद्युत प्रतिक्रिया से दूसरे प्रकार में बदल सकते हैं, जो सेंसर और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए इन सामग्रियों को अनुकूलित करने का एक तरीका प्रदान करता है।
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