Tuning in Dielectric and Electrical Transport Properties of CuFe2O4 with Incorporation of Metal oxides (ZnO, WO3 & MgO) Nanostructures

सामग्री विज्ञान की दुनिया में, कुछ पदार्थ नन्हे, अदृश्य चुंबकों की तरह कार्य करते हैं जो विद्युत ऊर्जा को भी संचित कर सकते हैं। इन्हें फेराइट कहा जाता है, जो लोहे को अन्य धातुओं के साथ मिलाकर बनाई गई सिरेमिक की एक श्रेणी है। इनमें से, कॉपर फेराइट एक विशेष रूप से उपयोगी सामग्री है क्योंकि यह एक स्थिर चुंबकीय खिंचाव बनाए रखती है और विशिष्ट तरीकों से बिजली का संचालन कर सकती है, जिससे यह डेटा स्टोरेज से लेकर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों तक हर चीज़ के लिए मूल्यवान बन जाती है। हालाँकि, शुद्ध कॉपर फेराइट की कुछ सीमाएँ हैं; इसके विद्युत और चुंबकीय व्यवहार इसकी प्राकृतिक संरचना द्वारा निर्धारित होते हैं, जो इसके उन्नत तकनीकी उपयोग को प्रतिबंधित करते हैं। इन सीमाओं को दूर करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर फेराइट को अन्य सामग्रियों के साथ मिलाकर एक नई, हाइब्रिड (संकर) वस्तु बनाते हैं। विभिन्न धातु ऑक्साइडों की सूक्ष्म मात्रा जोड़कर, वे इस तरह से बदलाव कर सकते हैं कि सामग्री बिजली और चुंबकीय क्षेत्रों को कैसे संभालती है, जिससे इसे विशिष्ट स्थितियों, जैसे कि अवांछित विद्युत चुम्बकीय तरंगों को अवशोषित करने के लिए बेहतर प्रदर्शन करने हेतु 'ट्यून' किया जा सके।

इस्लामाबाद में सेंटर ऑफ एक्सीलेंस इन साइंस एंड एप्लाइड टेक्नोलॉजीज के कशिफ अली के नेतृत्व में एक शोधकर्ता ने इस ट्यूनिंग प्रक्रिया का पता लगाने के उद्देश्य से काम किया। उन्होंने कॉपर फेराइट नैनोकणों पर ध्यान केंद्रित किया और उन्हें तीन अलग-अलग धातु ऑक्साइडों: जिंक ऑक्साइड, टंगस्टन ऑक्साइड और मैग्नीशियम ऑक्साइड के साथ मिलाया। लक्ष्य यह देखना था कि वजन के अनुसार 10 से 50 प्रतिशत की मात्रा में इन बाहरी सामग्रियों को मिलाने से कॉपर फेराइट की विद्युत ऊर्जा को संचित करने और बिजली संचालित करने की क्षमता में क्या परिवर्तन आता है। शोधकर्ता ने इन मिश्रणों को एक रासायनिक विधि का उपयोग करके बनाया जिसमें धातु लवणों को पानी में घोलना, एक बेस के साथ मिलाकर एक ठोस अवक्षेप (प्रिसिपिटेट) बनाना, और फिर परिणाम को गर्म करना और सुखाना शामिल था ताकि एक महीन पाउडर तैयार किया जा सके। इस प्रक्रिया ने उन्हें कॉपर फेराइट को अन्य धातु ऑक्साइडों के साथ नैनोस्केल पर मिलाने की अनुमति दी, जिससे एक कम्पोजिट सामग्री बनी जहाँ दोनों पदार्थ एक-दूसरे के बगल में मौजूद थे।

एक बार जब सामग्रियां तैयार हो गईं, तो शोधकर्ता ने शक्तिशाली इमेजिंग उपकरणों का उपयोग करके उनकी संरचना का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि कॉपर फेराइट के कण आम तौर पर गोलाकार थे, लेकिन अन्य ऑक्साइडों के साथ मिलने पर उनका आकार बदल गया। कुछ मिश्रणों ने चपटी, प्लेट जैसी संरचनाएं बनाईं, जबकि अन्य ने फूलों जैसे गुच्छे या स्पिंडल (तर्कु) के आकार बनाए। इन कणों का आकार भी भिन्न था, जिनमें से कुछ केवल कुछ दर्जन नैनोमीटर तक चौड़े थे। महत्वपूर्ण रूप से, विश्लेषण ने पुष्टि की कि नए मिश्रण शुद्ध थे, जिनमें केवल इच्छित सामग्रियां थीं और कोई अवांछित रासायनिक उपोत्पाद नहीं थे। शोधकर्ता ने देखा कि जैसे-जैसे उन्होंने अधिक धातु ऑक्साइड जोड़े, कण आपस में जुड़ने लगे, जिसे 'एग्लोमेरेशन' (गुच्छे बनना) कहा जाता है, जिसने सामग्री की समग्र बनावट को बदल दिया।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष तब सामने आए जब शोधकर्ता ने परीक्षण किया कि ये नए मिश्रण एक वैकल्पिक विद्युत क्षेत्र के तहत कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने सामग्री के 'डाइइलेक्ट्रिक कांस्टेंट' को मापा, जो एक ऐसा मान है जो यह दर्शाता है कि कोई पदार्थ कितनी अच्छी तरह विद्युत ऊर्जा को संचित कर सकता है, और 'डिसिपेशन फैक्टर' को मापा, जो यह मापता है कि कितनी ऊर्जा ऊष्मा के रूप में नष्ट होती है। उन्होंने पाया कि धातु ऑक्साइड मिलाने से आमतौर पर सामग्री की विद्युत ऊर्जा को संचित करने की क्षमता कम हो जाती है, विशेष रूप से कम आवृत्तियों (फ्रीक्वेंसी) पर। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि जोड़े गए ऑक्साइडों ने सामग्री के सूक्ष्म दानों (ग्रेन्स) के बीच अधिक सीमाएं बना दीं। ये सीमाएं बाधाओं की तरह काम करती हैं, जिससे विद्युत आवेशों के लिए एक दाने से दूसरे दाने तक कूदना कठिन हो जाता है। चूंकि इन आवेशों की गति ही वह प्रक्रिया है जिससे सामग्री ऊर्जा संचित करती है, इसलिए उनके मार्ग को रोकने से कुल भंडारण क्षमता कम हो जाती है।

शोधकर्ता ने यह भी देखा कि सामग्री बिजली का संचालन कैसे करती है। शुद्ध कॉपर फेराइट में, बिजली तब प्रवाहित होती है जब इलेक्ट्रॉन अलग-अलग आवेश वाले आयरन आयनों के बीच कूदते हैं। हालाँकि, जब शोधकर्ता ने मिश्रण में जिंक, मैग्नीशियम या टंगस्टन आयनों को पेश किया, तो इन नए आयनों ने क्रिस्टल संरचना में आयरन आयनों का स्थान ले लिया। इस प्रतिस्थापन ने इलेक्ट्रॉनों के मार्ग को बाधित कर दिया, जिससे बिजली का प्रवाह प्रभावी रूप से धीमा हो गया। अधिकांश मिश्रणों के लिए, अधिक धातु ऑक्साइड जोड़ने का अर्थ था कि सामग्री कम चालक हो गई। इसमें एक अपवाद था: जब मैग्नीशियम ऑक्साइड को बहुत अधिक मात्रा में जोड़ा गया, तो चालकता अचानक बढ़ गई। शोधकर्ता ने सुझाव दिया कि ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि उच्च सांद्रता वाले मैग्नीशियम ने सामग्री के भीतर नई ऊर्जा पथ बना दिए, जिससे आवेशों को स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति मिली, बावजूद इसके कि सामान्य रुझान कमी का था।

अंततः, अध्ययन ने दिखाया कि यह सावधानीपूर्वक चुनकर कि कौन सा धातु ऑक्साइड जोड़ना है और कितनी मात्रा शामिल करनी है, वैज्ञानिक कॉपर फेराइट के विद्युत और चुंबकीय गुणों को नियंत्रित कर सकते हैं। कम विद्युत चालकता और कम ऊर्जा भंडारण क्षमता वाले मिश्रण उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से दिलचस्प हैं। इन परिदृश्यों में, एक ऐसी सामग्री जो बहुत अधिक विद्युत ऊर्जा को रोककर नहीं रखती, वह विद्युत चुम्बकीय तरंगों को सतह पर फंसने के बजाय गहराई तक गुजरने देती है। यह विशेषता इन नए नैनोकम्पोजिट्स को माइक्रोवेव विकिरण को अवशोषित करने के लिए आशाजनक उम्मीदवार बनाती है, जो संवेदनशील उपकरणों की सुरक्षा करने या संचार उपकरणों की दक्षता में सुधार करने के लिए उपयोगी हो सकता है। यह कार्य दर्शाता है कि केवल विभिन्न धातु ऑक्साइडों को कॉपर फेराइट के साथ मिलाकर, आधुनिक तकनीक की विशिष्ट मांगों के लिए अनुकूलित गुणों वाली सामग्री तैयार करना संभव है।