किर्केंडल प्रभाव

किर्केंडल प्रभाव धातु के परमाणुओं की प्रसार दरों में अंतर के परिणामस्वरूप दो धातुओं के बीच इंटरफेस की गति है। प्रभाव को उदाहरण के लिए एक शुद्ध धातु और उस धातु से युक्त एक मिश्र धातु के बीच इंटरफेस में अघुलनशील मार्करों को रखकर देखा जा सकता है, और एक ऐसे तापमान पर गर्म किया जा सकता है जहां दिए गए टाइमस्केल के लिए परमाणु प्रसार उचित हो; सीमा मार्करों के सापेक्ष आगे बढ़ेगी।

इस प्रक्रिया का नाम 1941 से 1946 तक वेन स्टेट यूनिवर्सिटी में केमिकल इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर अर्नेस्ट किर्केंडल (1914-2005) के नाम पर रखा गया था। प्रभाव की खोज का वर्णन करने वाला पेपर 1947 में प्रकाशित हुआ था। किर्केंडल प्रभाव के महत्वपूर्ण व्यावहारिक परिणाम हैं। इनमें से एक धातु बंधन के लिए विभिन्न प्रकार के मिश्र धातु में सीमा इंटरफ़ेस पर गठित आवाजों की रोकथाम या दमन है। इन्हें किर्केंडल वॉयड्स कहा जाता है।

इतिहास

Kirkendall प्रभाव की खोज 1947 में अर्नेस्ट Kirkendall और एलिस Smigelskas द्वारा पीतल में प्रसार में Kirkendall के चल रहे शोध के दौरान की गई थी। जिस पेपर में उन्होंने प्रसिद्ध प्रभाव की खोज की, वह पीतल प्रसार पर उनके पत्रों की श्रृंखला में तीसरा था, पहला उनका थीसिस था। उनके दूसरे पेपर ने खुलासा किया कि अल्फा-पीतल में तांबे की तुलना में जस्ता अधिक तेजी से फैलता है, जिसके कारण अनुसंधान ने उनके क्रांतिकारी सिद्धांत का निर्माण किया। इस बिंदु तक, प्रसारात्मक गति के लिए प्रतिस्थापन और रिंग विधियां प्रमुख विचार थे। किर्केंडल के प्रयोग ने एक रिक्ति प्रसार तंत्र का प्रमाण प्रस्तुत किया, जो आज तक स्वीकृत तंत्र है। जिस समय इसे प्रस्तुत किया गया था, प्रौद्योगिकी के कार्नेगी संस्थान (अब करनेगी मेलों विश्वविद्याल) में मेटल्स रिसर्च लेबोरेटरी के निदेशक रॉबर्ट फ्रैंकलिन आटा द्वारा पेपर और किर्केंडल के विचारों को प्रकाशन से खारिज कर दिया गया था। मेहल ने इस नए प्रसार तंत्र के किर्केंडल के साक्ष्य को स्वीकार करने से इनकार कर दिया, और छह महीने से अधिक के लिए प्रकाशन से इनकार कर दिया, केवल एक सम्मेलन आयोजित होने के बाद और कई अन्य शोधकर्ताओं ने किर्केंडल के परिणामों की पुष्टि की।

किर्केंडल का प्रयोग

पीतल की एक पट्टी (70% Cu, 30% Zn) को कोर के रूप में इस्तेमाल किया गया था, मोलिब्डेनम तारों को इसकी लंबाई के साथ फैलाया गया था, और फिर शुद्ध तांबे की एक परत में लेपित किया गया था। मोलिब्डेनम को मार्कर सामग्री के रूप में चुना गया था क्योंकि यह पीतल में बहुत अघुलनशील होने के कारण, मार्करों के स्वयं को फैलाने के कारण किसी भी त्रुटि को समाप्त कर देता है। 56 दिनों के दौरान 785 डिग्री सेल्सियस पर प्रसार की अनुमति दी गई थी, जिसमें प्रयोग के दौरान छह बार क्रॉस-सेक्शन लिए गए थे। समय के साथ, यह देखा गया कि तार के निशान एक साथ करीब चले गए क्योंकि जस्ता पीतल से और तांबे में फैल गया। अलग-अलग समय के क्रॉस सेक्शन में इंटरफ़ेस के स्थान में अंतर दिखाई दे रहा था। एक्स-रे विवर्तन द्वारा प्रसार से सामग्री के संरचनागत परिवर्तन की पुष्टि की गई थी।

प्रसार तंत्र

प्रारंभिक प्रसार मॉडल ने कहा कि संस्थागत मिश्र धातुओं में परमाणु गति एक प्रत्यक्ष विनिमय तंत्र के माध्यम से होती है, जिसमें परमाणु आसन्न जाली साइटों पर परमाणुओं के साथ स्थिति बदलने से पलायन करते हैं। इस तरह के एक तंत्र का तात्पर्य है कि एक अंतरफलक में दो अलग-अलग सामग्रियों के परमाणु प्रवाह बराबर होना चाहिए, क्योंकि अंतरफलक के पार चलने वाले प्रत्येक परमाणु के कारण एक और परमाणु दूसरी दिशा में आगे बढ़ता है।

एक अन्य संभावित प्रसार तंत्र में जाली रिक्ति दोष शामिल है. An atom can move into a vacant lattice site, effectively causing the atom and the vacancy to switch places. If large-scale diffusion takes place in a material, there will be a flux of atoms in one direction and a flux of vacancies in the other.

रिक्ति प्रसार में परमाणु प्रवाह का प्रदर्शन

किर्केंडल प्रभाव तब उत्पन्न होता है जब दो अलग-अलग सामग्रियों को एक दूसरे के बगल में रखा जाता है और उनके बीच प्रसार होने दिया जाता है। सामान्य तौर पर, एक दूसरे में दो सामग्रियों के प्रसार गुणांक समान नहीं होते हैं। यह केवल तभी संभव है जब रिक्ति तंत्र द्वारा प्रसार होता है; यदि इसके बजाय परमाणु एक विनिमय तंत्र द्वारा विसरित होते हैं, तो वे जोड़े में अंतरफलक को पार करेंगे, इसलिए प्रसार दर अवलोकन के विपरीत समान होगी। फ़िक के विसरण के नियम | फ़िक के विसरण के पहले नियम के अनुसार, उच्च प्रसार गुणांक वाली सामग्री से परमाणुओं का प्रवाह बड़ा होगा, इसलिए उच्च प्रसार गुणांक वाली सामग्री से परमाणुओं का शुद्ध प्रवाह होगा कम प्रसार गुणांक। परमाणुओं के इस प्रवाह को संतुलित करने के लिए, विपरीत दिशा में रिक्तियों का प्रवाह होगा - कम प्रसार गुणांक वाली सामग्री से उच्च प्रसार गुणांक वाली सामग्री में - जिसके परिणामस्वरूप पर्यावरण के सापेक्ष जाली का समग्र अनुवाद होता है। कम प्रसार स्थिरांक के साथ सामग्री की दिशा।

किर्केंडल प्रभाव के लिए मैक्रोस्कोपिक सबूत तांबे और पीतल के बीच एक इंटरफेस पर मोलिब्डेनम मार्कर जैसे दो सामग्रियों के बीच प्रारंभिक इंटरफ़ेस पर निष्क्रिय मार्करों को रखकर इकट्ठा किया जा सकता है। इस मामले में जस्ता का प्रसार गुणांक तांबे के प्रसार गुणांक से अधिक है। चूँकि तांबे के परमाणुओं की तुलना में जस्ता परमाणु पीतल को उच्च दर पर छोड़ते हैं, प्रसार बढ़ने पर पीतल क्षेत्र का आकार घट जाता है। मोलिब्डेनम मार्करों के सापेक्ष, तांबा-पीतल इंटरफ़ेस प्रयोगात्मक रूप से औसत दर्जे की दर पर पीतल की ओर बढ़ता है।

डार्कन के समीकरण

Main article: Darken's equations

किर्केंडल के पेपर के प्रकाशन के कुछ ही समय बाद, एल.एस. डार्केन ने बाइनरी सिस्टम में विसरण का विश्लेषण प्रकाशित किया, जैसा कि स्मिगेलस्कास और किर्केंडल ने अध्ययन किया था। मार्करों के सापेक्ष इंटरफ़ेस के संचलन से सामग्रियों के वास्तविक विसारक प्रवाह को अलग करके, डार्कन ने मार्कर वेग पाया $v$ होना

$v=(D_{1}-D_{2}){\frac {dN_{1}}{dx}},$

कहाँ $D_{1}$ और $D_{2}$ दो सामग्रियों के प्रसार गुणांक हैं और $N_{1}$ एक परमाणु अंश है। इस समीकरण का एक परिणाम यह है कि एक इंटरफ़ेस की गति समय के वर्गमूल के साथ रैखिक रूप से भिन्न होती है, जो वास्तव में स्मिगेलस्कास और किर्केंडल द्वारा खोजा गया प्रायोगिक संबंध है।

डार्कन ने एक दूसरा समीकरण भी विकसित किया जो एक संयुक्त रासायनिक प्रसार गुणांक को परिभाषित करता है $D$ दो इंटरफेसिंग सामग्रियों के प्रसार गुणांक के संदर्भ में:

$D=N_{1}D_{2}+N_{2}D_{1}.$

इस रासायनिक प्रसार गुणांक का उपयोग बोल्ट्जमैन-मैटानो विश्लेषण | Volzmann-Matano विश्लेषण के माध्यम से किर्केंडल प्रभाव प्रसार का गणितीय विश्लेषण करने के लिए किया जा सकता है।

किर्केंडल सरंध्रता

किर्केंडल के काम से प्राप्त होने वाला एक महत्वपूर्ण विचार प्रसार के दौरान गठित सरंध्रता की उपस्थिति है। ये रिक्त स्थान रिक्तियों के लिए सिंक के रूप में कार्य करते हैं, और जब पर्याप्त जमा हो जाते हैं तो वे पर्याप्त हो सकते हैं और संतुलन बहाल करने के प्रयास में विस्तार कर सकते हैं। सरंध्रता दो प्रजातियों की प्रसार दर में अंतर के कारण होती है। धातुओं में छिद्रों के यांत्रिक, तापीय और विद्युतीय गुणों पर प्रभाव पड़ता है, और इस प्रकार उनके गठन पर नियंत्रण अक्सर वांछित होता है। समीकरण

$X^{K}=(a_{1}\Delta C_{1}^{\circ }+a_{2}\Delta C_{2}^{\circ }+\dots +a_{n-1}\Delta C_{n-1}^{\circ }){\sqrt {t}}$

कहाँ $X^{K}$ एक मार्कर द्वारा तय की गई दूरी है, $a$ सामग्री के आंतरिक विसरण द्वारा निर्धारित गुणांक है, और $\Delta C^{\circ }$ घटकों के बीच एक एकाग्रता अंतर है, किर्केंडल सरंध्रता को कम करने के लिए एक प्रभावी मॉडल साबित हुआ है। एनीलिंग तापमान को नियंत्रित करना सरंध्रता को कम करने या समाप्त करने का एक और तरीका है। किर्केंडल सरंध्रता आमतौर पर एक प्रणाली में एक निर्धारित तापमान पर होती है, इसलिए छिद्रों के गठन से बचने के लिए एनीलिंग (धातु विज्ञान) को कम तापमान पर लंबे समय तक किया जा सकता है।

नैनो प्रौद्योगिकी अनुप्रयोग

बेलाटेरा, स्पेन में कैटलन इंस्टीट्यूट ऑफ नैनोटेक्नोलॉजी ने नैनो-कणों में खोखले बनाने और डबल-दीवार वाले बक्से और बहु-कक्षीय ट्यूब बनाने के लिए एक रासायनिक प्रक्रिया विकसित की है। अध्ययन के नतीजे जर्नल विज्ञान (पत्रिका) में छपे हैं। मिनट चांदी के क्यूब्स को धनायनित सोने के साथ इलाज किया गया था, जिसके कारण कमरे के तापमान पर चांदी के परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों की हानि हुई थी, जो इलेक्ट्रोलाइटिक समाधान द्वारा उठाए गए थे। इलेक्ट्रॉनों की प्राप्ति ने धनायनित सोने को धात्विक सोने में बदल दिया जो बाद में चांदी के घन की सतह से जुड़ गया। यह आवरण अंतर्निहित चांदी की सुरक्षा करता है, जो अनकोटेड भागों की प्रतिक्रिया को सीमित करता है। अंत में, सतह पर केवल एक छेद रहता है जिसके माध्यम से प्रतिक्रिया घन में प्रवेश करती है। एक द्वितीयक प्रभाव तब होता है जब घन के अंदर से चांदी के परमाणु छेद के माध्यम से सतह पर सोने की ओर पलायन करना शुरू कर देते हैं, जिससे घन के अंदर एक शून्य बन जाता है।

प्रक्रिया में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला होगी। रासायनिक वातावरण में छोटे परिवर्तन कमरे के तापमान पर प्रतिक्रिया और प्रसार को नियंत्रित करने की अनुमति देंगे, गैल्वेनिक प्रतिस्थापन और किर्केंडल प्रभाव के माध्यम से विविध पॉलीमेटैलिक खोखले नैनोकणों के निर्माण की अनुमति देंगे। 1972 में, RCA Corporation के C.W. होर्स्टिंग ने एक पेपर प्रकाशित किया, जिसमें सेमीकंडक्टर उपकरणों की विश्वसनीयता (सांख्यिकी) पर परीक्षण के परिणामों की सूचना दी गई थी, जिसमें गोल्ड प्लेटेड पोस्ट के लिए अल्युमीनियम तारों के बंधुआ अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग का उपयोग करके कनेक्शन बनाए गए थे। उनके पेपर ने तार का जोड़ तकनीक में किर्केंडल प्रभाव के महत्व को प्रदर्शित किया, लेकिन यह भी दिखाया कि वायर बॉन्ड में अवक्षेपण (रसायन विज्ञान) की दर में मौजूद किसी भी अशुद्धियों का महत्वपूर्ण योगदान है। हॉर्स्टिंग प्रभाव (हॉर्स्टिंग वॉयड्स) के नाम से जाने जाने वाले इस प्रभाव वाले दो महत्वपूर्ण संदूषक एक अधातु तत्त्व और क्लोरीन हैं। Kirkendall voids और Horsting voids दोनों वायर बॉन्ड फ्रैक्चर के ज्ञात कारण हैं, हालांकि ऐतिहासिक रूप से यह कारण अक्सर पांच अलग-अलग [[सोना-एल्यूमीनियम इंटरमेटेलिक्स]] में से एक के बैंगनी रंग की उपस्थिति के साथ भ्रमित होता है, जिसे आमतौर पर बैंगनी प्लेग और कम अक्सर सफेद प्लेग कहा जाता है।

यह भी देखें

• विद्युत प्रवासन

बाहरी संबंध

• Aloke Paul, Tomi Laurila, Vesa Vuorinen and Sergiy Divinski, Thermodynamics, Diffusion and the Kirkendall effect in Solids, Springer, Heidelberg, Germany, 2014.
• Kirkendall Effect: Dramatic History of Discovery and Developments by L.N. Paritskaya Archived 2016-03-14 at the Wayback Machine
• Interdiffusion and Kirkendall Effect in Cu-Sn Alloys Archived 2018-05-17 at the Wayback Machine
• Visual demonstration of the Kirkendall effect