शोधकर्ताओं की एक टीम ने पहली बार एक उपन्यास फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री की अनूठी सूक्ष्म संरचना को देखा और रिपोर्ट किया है, जो मानव उपयोग के लिए सुरक्षित इलेक्ट्रॉनिक्स, सेंसर और ऊर्जा भंडारण के लिए लीड-फ्री पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के विकास को सक्षम बनाता है। इस काम का नेतृत्व पेन स्टेट में एलेम ग्रुप ने किया था और रटगर्स यूनिवर्सिटी और कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, मर्सिड में शोध टीमों के सहयोग से किया गया था।

फेरोइलेक्ट्रिक्स सामग्री का एक वर्ग है जो बाहरी विद्युत आवेश लागू होने पर एक सहज विद्युत ध्रुवीकरण प्रदर्शित करता है। यह एक सहज विद्युत ध्रुवीकरण का कारण बनता है जब सामग्री में सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज अलग-अलग ध्रुवों पर जाते हैं। इन सामग्रियों में पीजोइलेक्ट्रिक गुण भी होते हैं, जिसका अर्थ है कि सामग्री एक लागू यांत्रिक बल के तहत विद्युत चार्ज उत्पन्न करती है।

यह इन सामग्रियों को गर्मी, गति, या शोर जैसी ऊर्जा से बिजली बनाने में सक्षम बनाता है जो अन्यथा बर्बाद हो सकता है। इसलिए, वे कार्बन-आधारित ऊर्जा के विकल्प के लिए क्षमता रखते हैं, जैसे कि अपशिष्ट गर्मी से ऊर्जा का संचयन। इसके अलावा, फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री डेटा भंडारण और मेमोरी के लिए विशेष रूप से उपयोगी होती है क्योंकि वे अतिरिक्त शक्ति के बिना एक ध्रुवीकृत स्थिति में रह सकते हैं, जिससे उन्हें ऊर्जा-बचत डेटा भंडारण और इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आकर्षक बना दिया जा सकता है। वे व्यापक रूप से लाभकारी अनुप्रयोगों जैसे स्विच, महत्वपूर्ण चिकित्सा उपकरणों जैसे हृदय गति मॉनिटर और अल्ट्रासाउंड, ऊर्जा भंडारण और एक्चुएटर्स में भी उपयोग किए जाते हैं।

हालांकि, सबसे मजबूत पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री में सीसा होता है, जो एक प्रमुख मुद्दा है, क्योंकि सीसा मनुष्यों और जानवरों के लिए विषाक्त है।

सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के पेन स्टेट एसोसिएट प्रोफेसर और अध्ययन के संबंधित लेखक नसीम एलेम ने कहा, “हम एक पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री को डिजाइन करना पसंद करेंगे, जिसमें मौजूदा सामग्रियों का नुकसान नहीं है।” “और अभी, इन सभी सामग्रियों में सीसा एक बड़ा नुकसान है क्योंकि सीसा खतरनाक है। हमें उम्मीद है कि हमारे अध्ययन के परिणामस्वरूप बेहतर पीजोइलेक्ट्रिक सिस्टम के लिए उपयुक्त उम्मीदवार हो सकते हैं।”

मजबूत पीजोइलेक्ट्रिक गुणों के साथ ऐसी सीसा रहित सामग्री के लिए एक मार्ग विकसित करने के लिए, अनुसंधान दल ने कैल्शियम मैंगनेट, Ca3Mn2O7 (CMO) के साथ काम किया। सीएमओ कुछ दिलचस्प गुणों के साथ एक उपन्यास संकर अनुचित फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री है।

सामग्री विज्ञान में डॉक्टरेट उम्मीदवार और अध्ययन के पहले लेखक लेक्सिन मियाओ ने कहा, “इस सामग्री का डिजाइन सिद्धांत सामग्री के छोटे ऑक्सीजन ऑक्टाहेड्रा की गति को जोड़ रहा है।” प्रकृति संचार। “सामग्री में, ऑक्सीजन परमाणुओं के ऑक्टाहेड्रा होते हैं जो झुक सकते हैं और घूम सकते हैं। ‘हाइब्रिड अनुचित फेरोइलेक्ट्रिक’ शब्द का अर्थ है कि हम फेरोइलेक्ट्रिसिटी का उत्पादन करने के लिए ऑक्टाहेड्रा के रोटेशन और झुकाव को जोड़ते हैं। इसे ‘हाइब्रिड’ माना जाता है क्योंकि यह है फेरोइलेक्ट्रिकिटी के लिए उस ध्रुवीकरण को उत्पन्न करने वाले ऑक्टाहेड्रा के दो गतियों का संयोजन। इसे ‘अनुचित’ फेरोइलेक्ट्रिक माना जाता है क्योंकि ध्रुवीकरण द्वितीयक प्रभाव के रूप में उत्पन्न होता है।”

सीएमओ के माइक्रोस्ट्रक्चर की एक अनूठी विशेषता भी है जो शोधकर्ताओं के लिए एक रहस्य है।

“कमरे के तापमान पर, क्रिस्टल में कमरे के तापमान पर सह-अस्तित्व में कुछ ध्रुवीय और गैर-ध्रुवीय चरण होते हैं,” मियाओ ने कहा। “और उन सह-मौजूदा चरणों को नकारात्मक थर्मल विस्तार व्यवहार के साथ सहसंबद्ध माना जाता है। यह सर्वविदित है कि आम तौर पर, एक सामग्री गर्म होने पर फैलती है, लेकिन यह सिकुड़ जाती है। यह दिलचस्प है, लेकिन हम संरचना के बारे में बहुत कम जानते हैं, जैसे कि कैसे ध्रुवीय और गैर-ध्रुवीय चरण सह-अस्तित्व में हैं।”

इसे बेहतर ढंग से समझने के लिए शोधकर्ताओं ने एटॉमिक-स्केल ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का इस्तेमाल किया।

“हमने इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग क्यों किया क्योंकि इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के साथ, हम संरचना में सटीक परमाणु व्यवस्था को देखने के लिए परमाणु-पैमाने पर जांच का उपयोग कर सकते हैं,” मियाओ ने कहा। “और सीएमओ क्रिस्टल में डबल बिलीयर ध्रुवीय नैनोरेगियंस का निरीक्षण करना बहुत आश्चर्यजनक था। हमारे ज्ञान के लिए, यह पहली बार है कि इस तरह के सूक्ष्म संरचना को स्तरित पेरोव्स्काइट सामग्री में सीधे चित्रित किया गया था।”

इससे पहले, यह कभी नहीं देखा गया था कि ऐसी सामग्री का क्या होता है जो इस तरह के फेरोइलेक्ट्रिक चरण संक्रमण से गुजरती है, शोधकर्ताओं के अनुसार। लेकिन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के साथ, वे सामग्री की निगरानी कर सकते थे और चरण संक्रमण के दौरान क्या हो रहा था।

“हमने सामग्री की निगरानी की, चरण संक्रमण के दौरान क्या हो रहा है, और परमाणु द्वारा परमाणु की जांच करने में सक्षम थे कि हमारे पास किस प्रकार का बंधन है, सामग्री में हमारे पास किस प्रकार की संरचनात्मक विकृतियां हैं, और यह कैसे एक समारोह के रूप में बदल सकता है तापमान,” एलेम ने कहा। “और यह कुछ अवलोकनों को समझा रहा है जो लोगों ने इस सामग्री के साथ किया है। उदाहरण के लिए, जब उन्हें थर्मल विस्तार गुणांक मिलता है, तो कोई भी वास्तव में नहीं जानता है कि यह कहां से आता है। मूल रूप से, यह परमाणु स्तर में नीचे जा रहा था और अंतर्निहित परमाणु-पैमाने की भौतिकी, रसायन विज्ञान और चरण संक्रमण की गतिशीलता को समझना, यह कैसे बदल रहा है।”

यह बदले में सीसा रहित, शक्तिशाली पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के विकास को सक्षम करेगा।

“वैज्ञानिक कई लाभकारी अनुप्रयोगों के लिए सीसा रहित फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री की खोज के लिए नए रास्ते खोजने की कोशिश कर रहे हैं,” मियाओ ने कहा। “ध्रुवीय नैनोरेगियंस के अस्तित्व को पीजोइलेक्ट्रिक गुणों के लाभ के लिए माना जाता है, और अब हमने दिखाया है कि दोष इंजीनियरिंग के माध्यम से, हम नए मजबूत पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल डिजाइन करने में सक्षम हो सकते हैं जो अंततः अल्ट्रासोनिक या एक्ट्यूएटर अनुप्रयोगों के लिए सभी लीड युक्त सामग्री को प्रतिस्थापित करेंगे।”

सामग्री में इन पहले कभी नहीं देखी गई प्रक्रियाओं को प्रकट करने वाले लक्षण वर्णन कार्य को मिलेनियम साइंस कॉम्प्लेक्स में सामग्री अनुसंधान संस्थान की सुविधाओं में किया गया था। इसमें कई ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (टीईएम) प्रयोग शामिल थे जो पहले कभी नहीं देखे जाने में सक्षम थे।

अध्ययन का एक अन्य लाभ अनुसंधान दल, ईएएसवाई-एसटीईएम द्वारा विकसित मुफ्त सॉफ्टवेयर था, जो आसान टीईएम छवि डेटा प्रोसेसिंग को सक्षम बनाता है। यह संभावित रूप से वैज्ञानिक अनुसंधान को आगे बढ़ाने और इसे व्यावहारिक अनुप्रयोग में स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक समय को कम कर सकता है।

“सॉफ्टवेयर में एक ग्राफिकल यूजर इंटरफेस है जो उपयोगकर्ताओं को माउस क्लिक के साथ इनपुट करने की अनुमति देता है, इसलिए लोगों को कोडिंग में विशेषज्ञ होने की आवश्यकता नहीं है, लेकिन फिर भी अद्भुत विश्लेषण उत्पन्न कर सकते हैं,” मियाओ ने कहा।

मियाओ और एलेम के साथ, अध्ययन के अन्य लेखकों में पेन स्टेट परिवार मोरादिफ़र, उस समय डॉक्टरेट उम्मीदवार और एमआरआई के साथ स्टाफ वैज्ञानिक के वांग शामिल हैं। कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय से, लेखकों में किश्वर-ई हसीन, कम्प्यूटेशनल सामग्री विज्ञान और सिमुलेशन में स्नातक छात्र और सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर एलिजाबेथ ए। नोवाडनिक शामिल हैं। अतिरिक्त लेखकों में ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी देबांग्शु मुखर्जी, आर एंड डी सहयोगी वैज्ञानिक, और रटगर्स यूनिवर्सिटी सेंग-वूक चेओंग, प्रतिष्ठित प्रोफेसर, हेनरी रटगर्स प्रोफेसर, बोर्ड ऑफ गवर्नर्स प्रोफेसर और निदेशक, क्वांटम सामग्री संश्लेषण केंद्र शामिल हैं।

अध्ययन को राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था।

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