रासायनिक ऊष्म निक्षेपण
रासायनिक ऊष्म निक्षेपण, जिसे रासायनिक समाधान निक्षेपण[1] और सीबीडी भी कहा जाता है, यह जलीय समाधान का उपयोग करके पतली-चलचित्र निक्षेपण की एक विधि होती है।[1] रासायनिक ऊष्म निक्षेपण सामान्यतः विषम केंद्रक (एक शुद्ध सब्सट्रेट पर जलीय आयनों का निक्षेपण) का उपयोग करके चलचित्र बनाता है,[2] धातु चॉकोजेनाइड्स (ज्यादातर ऑक्साइड, सल्फाइड, और सेलेनाइड)[1] और कई कम सजातीय पतली चलचित्रों का निर्माण करता है। यौगिक[1][2] कम तापमान (<100˚C), और कम लागत पर एक सरल प्रक्रिया का उपयोग करते हुए, रासायनिक ऊष्म निक्षेपण से चलचित्रों का निर्माण मज़बूती से होता है।[1] इसके अतिरिक्त, रासायनिक ऊष्म निक्षेपण को बड़े क्षेत्र के प्रसंस्करण या निरंतर निक्षेपण के लिए नियोजित किया जा सकता है। सीबीडी द्वारा निर्मित चलचित्रों का उपयोग अधिकांशतः अर्धचालकों, फोटोवोल्टिक कोशिकाओं और सुपरसंधारित्र में किया जाता है, और नैनो सामग्री बनाने के लिए रासायनिक ऊष्म निक्षेपण का उपयोग करने में रुचि बढ़ाता है।[1][3]
उपयोग
रासायनिक ऊष्म निक्षेपण औद्योगिक अनुप्रयोगों में उपयोगी है क्योंकि यह पतली-चलचित्र निक्षेपण के अन्य विधियों की तुलना में बेहद सस्ता, सरल और विश्वसनीय होती है, जिसके लिए (अपेक्षाकृत) कम तापमान और न्यूनतम केवल जलीय घोल की आवश्यकता होती है।[1] रासायनिक ऊष्म निक्षेपण प्रक्रिया को बड़े क्षेत्र के प्रसंस्करण या निरंतर निक्षेपण तक आसानी से बढ़ाया जा सकता है।ka
रासायनिक ऊष्म निक्षेपण छोटे क्रिस्टल बनाता है, जो अर्धचालकों के लिए पतली-चलचित्र निक्षेपण के अन्य विधियों द्वारा बनाए गए बड़े क्रिस्टल की तुलना में कम उपयोगी होते है लेकिन नैनो सामग्री के लिए अधिक उपयोगी होते है। चूंकि, रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा बनाई गई चलचित्रों में अधिकांशतः अन्य विधियों से बनने वाले समान पदार्थ की चलचित्रों की तुलना में बेहतर फोटोवोल्टिक गुण होते है।[1]
ऐतिहासिक उपयोग
रासायनिक ऊष्म निक्षेपण का एक उच्च इतिहास रहा है लेकिन यह पतली-चलचित्र निक्षेपण की एक असामान्य विधि होती थी।[1]
1865 में, जस्टस वॉन लिबिंग ने एक लेख प्रकाशित किया जिसमें रासायनिक ऊष्म निक्षेपण के उपयोग का वर्णन किया गया था,[4] चूंकि आधुनिक समय में विद्युत और निर्वात निक्षेपण अधिक सामान्य होते है।
WWII के आसपास, लेड सल्फाइड (PbS) और लेड सेलेनाइड (PbSe) CBD चलचित्रों का उपयोग अवरक्त अधिनायक में किया जाता है।[1] रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा बनने पर यह चलचित्रें प्रवाहकीय होती है।[1]
अर्द्धसुचालक में भी उपयोग होने वाली पतली चलचित्रों को बनाने में रासायनिक ऊष्म निक्षेपण का एक उच्च इतिहास रहा है। चूँकि जमे क्रिस्टल का छोटा आकार अर्धचालकों के लिए आदर्श नहीं होता है और आधुनिक समय में अर्धचालकों के निर्माण के लिए रासायनिक ऊष्म निक्षेपण का उपयोग संभवतः ही कभी किया जाता है।[1]
फोटोवोल्टिक्स
फोटोवोल्टिक सेल रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा जमा की गई चलचित्रों का सबसे आसान उपयोग होता है क्योंकि कई चलचित्रों में अन्य विधियों से जमा होने की तुलना में सीबीडी के माध्यम से जमा होने पर बेहतर फोटोवोल्टिक गुण होते है।[1] ऐसा इसलिए है क्योंकि रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा बनाई गई पतली चलचित्रें अन्य विधियों से बनने वाली पतली चलचित्रों की तुलना में अधिक आकार की मात्रा का प्रदर्शन करती है, और इसलिए छोटे क्रिस्टल और अधिक प्रकाशिक बन्धन अंतराल होता है।[1] इन बेहतर फोटोवोल्टिक गुणों के कारण कैडमियम सल्फाइड (सीडीएस), फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में एक पतली चलचित्र होती है, जो सीबीडी द्वारा सबसे अधिक जमा किया जाने वाला पदार्थ होता है और पदार्थ की सीबीडी शोध पत्रों में सबसे अधिक जांच की जाती है।[1][5]
फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में परतों को जमा करने के लिए रासायनिक ऊष्म निक्षेपण का भी उपयोग किया जाता है क्योंकि सीबीडी सब्सट्रेट को नुकसान नहीं पहुंचाता है।
प्रकाशिकी
रासायनिक ऊष्म निक्षेपण चलचित्रों को कुछ तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करने और वांछित के रूप में दूसरों को प्रतिबिंबित या प्रसारित करने के लिए बनाया जा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा बनाई गई चलचित्रों में एक ऊर्जा अंतराल होता है जिसे ठीक से नियंत्रित किया जा सकता है। इस चयनात्मक संचरण का उपयोग परावर्तक, सौर तापीय अनुप्रयोगों, प्रकाशिक फिल्टर, प्रतिक्षेपक आदि के लिए किया जा सकता है।[1] रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा जमा की गई चलचित्रों में एंटी-प्रतिबिंब, थर्मल नियंत्रक कोटिंग्स, प्रकाशिक फिल्टर, संपूर्ण प्रतिक्षेपक, पोल्ट्री संरक्षण और ऊष्म कोटिंग्स, प्रकाश उत्सर्जक डायोड, सौर सेल निर्माण और वैरिस्टर में संभावित अनुप्रयोग होते है।
नैनो सामग्री
रासायनिक ऊष्म निक्षेपण या इलेक्ट्रोलेस निक्षेपण में नैनोमैटेरियल्स के क्षेत्र में शानदार अनुप्रयोग होते है,[1] क्योंकि छोटा क्रिस्टल आकार नैनोमीटर पर गठन को सक्षम बनाता है, क्योंकि रासायनिक ऊष्म निक्षेपण चलचित्रों के गुणों और नैनोसंरचना को त्रुटिहीन रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, और क्योंकि रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा जमा की गई चलचित्रों की एक समान मोटाई, संरचना और ज्यामिति चलचित्र को बनाए रखने की अनुमति देती है।[1] नैनोमीटर पर भी रासायनिक ऊष्म निक्षेपण की कम लागत और उच्च विश्वसनीयता किसी भी अन्य पतली-चलचित्र निक्षेपण तकनीक के विपरीत होते है। रासायनिक ऊष्म निक्षेपण का उपयोग पॉलीक्रिस्टलाइन और एपिटाक्सी चलचित्रों और सुपरलैटिस के उत्पादन के लिए किया जा सकता है।[3]
प्रक्रिया
रासायनिक ऊष्म निक्षेपण एक समाधान बनाने पर निर्भर करता है जैसे कि निक्षेपण (चरण संक्रमण) (एक जलीय से शुद्ध पदार्थ में परिवर्तन) केवल नीचे की विधि का उपयोग करके सब्सट्रेट पर होता है:
- धातु के लवण और (सामान्यतः) चॉकोजेनाइड को पानी में मिलाया जाता है जिससे कि धातु के आयनों और चॉकोजेनाइड आयनों से युक्त एक जलीय घोल बनाया जा सके जो जमा होने वाले यौगिक का निर्माण करता है।
- तापमान, पीएच, और नमक की एकाग्रता को तब तक समायोजित किया जाता है जब तक कि समाधान अतिसंतृप्ति में नहीं होता है,[5] यह तब तक होता है जब तक आयन जमा करने के लिए तैयार नहीं होते है, लेकिन केंद्रक के लिए थर्मोडायनामिक बाधा को दूर नहीं कर सकते है।[1] एक सब्सट्रेट प्रस्तुत किया जाता है, जो केंद्रक के उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है, और पूर्ववर्ती आयन नीचे वर्णित दो विधियों में से एक पतली क्रिस्टलीय चलचित्र बनाने वाले सब्सट्रेट का पालन करता है।
अर्थात्, समाधान एक ऐसी अवस्था में है जहाँ आयन या कोलाइडल कण चिपचिप' होते है, लेकिन एक दूसरे से चिपकते नहीं है। जब सब्सट्रेट प्रस्तुत किया जाता है, तो आयन या कण उससे चिपक जाते है और जलीय आयन शुद्ध आयनों से चिपक जाते है, जिससे एक शुद्ध यौगिक बनता है - क्रिस्टलीय चलचित्र बनाने के लिए जमा होता है।
चलचित्र का पीएच, तापमान और संरचना क्रिस्टल के आकार को प्रभावित करती है, और इसका उपयोग चलचित्र के निर्माण की दर और संरचना को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है। क्रिस्टल के आकार को प्रभावित करने वाले अन्य कारकों में प्रकाश और उस चलचित्र की मोटाई सम्मलित होती है जिस पर क्रिस्टल जमा होता है।[1] विलयन को उत्तेजित करने से निलंबित कोलाइडल क्रिस्टल के निक्षेपण को रोकता है,[6] गठन की गति और तापमान को प्रभावित करता है जिस पर गठन होता है, वह जमा किए गए क्रिस्टल की संरचना को बदल सकता है।[6]
अधिकांश अन्य निक्षेपण प्रक्रियाओं के विपरीत, रासायनिक ऊष्म निक्षेपण अनियमित सबस्ट्रेट्स पर भी समान मोटाई, संरचना, और ज्यामिति (पार्श्व समरूपता) की एक चलचित्र बनाने के लिए किया जाता है क्योंकि यह निक्षेपण के अन्य विधियों के विपरीत, सतह रसायन द्वारा नियंत्रित होता है। आयन सब्सट्रेट की सभी उजागर सतहों का पालन करते है और क्रिस्टल उन आयनों से बढ़ते है। [5][7]
आयन-दर-आयन तंत्र
आयन-दर-आयन निक्षेपण में, जलीय आयन पतली चलचित्र बनाने के लिए सीधे प्रतिक्रिया करते है।
स्थितियों को इस तरह नियंत्रित किया जाता है कि कुछ हाइड्रॉक्साइड आयन निक्षेपण (सब्सट्रेट पर नहीं) या अघुलनशील धातु हाइड्रॉक्साइड की वर्षा को रोकने के लिए बनते है। कभी-कभी धातु हाइड्रॉक्साइड के गठन को रोकने के लिए एक जटिल प्रतिनिधि का उपयोग किया जाता है।[1] धातु और चेलकोजेनाइड असंबद्ध होकर धातु और चेलकोजेनाइड आयन बनाते है, जो वैन डेर वाल्स बल द्वारा सब्सट्रेट की ओर आकर्षित होते है और उनका पालन करते है।[8] आयन सब्सट्रेट का पालन करते है, और जलीय आयन बढ़ते क्रिस्टल से जुड़ते है, जिससे बड़े क्रिस्टल बनते है। इस प्रकार, निक्षेपण की इस विधि के परिणामस्वरूप हाइड्रॉक्साइड-क्लस्टर तंत्र की तुलना में बड़े और कम समान क्रिस्टल होते है।[1]
प्रतिक्रिया का एक उदाहरण, कैडमियम सल्फाइड जमा करना होता है, नीचे दिखाया गया है:
हाइड्रोक्साइड-क्लस्टर तंत्र
हाइड्रॉक्साइड-क्लस्टर निक्षेपण तब होती है जब हाइड्रॉक्साइड आयन घोल में उपस्थित होते है और सामान्यतः आयन-दर-आयन निक्षेपण की तुलना में छोटे और अधिक समान होते है।
जब हाइड्रॉक्साइड आयन मात्रा में घोल में उपस्थित होते है, तो धातु हाइड्रॉक्साइड आयन बनते है। हाइड्रॉक्साइड आयन धातु के लिए लिगेंड के रूप में कार्य करते है, अघुलनशील कोलाइड क्लस्टर बनाते है जो सब्सट्रेट पर जमा हो जाते है। ये क्लस्टर वैन डेर वाल्स बलों द्वारा सब्सट्रेट की ओर आकर्षित होते है। चॉकोजेनाइड आयन धातु के हाइड्रॉक्साइड समूहों के साथ प्रतिक्रिया करते है, धातु चाकोजेनाइड क्रिस्टल बनाते है। ये क्रिस्टल पतली चलचित्र बनाते है, जिसकी संरचना क्रिस्टलीय के समान होती है। संक्षेप में, हाइड्रॉक्साइड आयन धातु आयनों और चाकोजेनाइड आयनों के बीच मध्यस्थ के रूप में कार्य करते है। क्योंकि प्रत्येक हाइड्रॉक्साइड क्लस्टर केंद्रक होते है, यह निक्षेपण विधि सामान्यतः आयन-दर-आयन निक्षेपण की तुलना में छोटे और अधिक समान क्रिस्टल में परिणत होते है।[7][8]
कैडमियम सल्फाइड जमा करने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया का एक उदाहरण नीचे दिखाया गया है:
(कैडमियम हाइड्रॉक्साइड क्लस्टर का गठन)
(प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया)[8]
सब्सट्रेट
पतली-चलचित्र निक्षेपण के अन्य विधियों के विपरीत, किसी भी सब्सट्रेट जो जलीय घोल में रासायनिक रूप से स्थिर होते है, और सैद्धांतिक रूप से रासायनिक ऊष्म निक्षेपण में उपयोग किया जा सकता है।[1] चलचित्र के वांछित गुण सामान्यतः सब्सट्रेट की पसंद तय करते है, उदाहरण के लिए, जब प्रकाश पारदर्शिता वांछित होती है तो विभिन्न प्रकार उपयोग किया जाता है, और फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों में सामान्यतः प्रयोग किया जाता है। पतली चलचित्रों के गठन और संरचना को निर्देशित करने के लिए सबस्ट्रेट्स को मोनोलयर्स के साथ भी प्रतिरूपित किया जा सकता है।[1] सबस्ट्रेट्स जैसे कार्बोनाइज्ड मेलामाइन फोम (सीएफएम) और ऐक्रेलिक अम्ल (AA) हाइड्रोजेल[9] कुछ विशेष अनुप्रयोगों के लिए भी उपयोग किया जा सकता है।
संदर्भ
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