विशेष अनुप्रयोगों जैसे लेजर, सिंटिलेटर और पीजोइलेक्ट्रिसिटी के लिए तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण सिरेमिक सामग्री पर अनुसंधान और विकास प्रभाग की एक महत्वपूर्ण गतिविधि है।
सिरेमिक गतिविधि के हिस्से के रूप में इन विशेष अनुप्रयोगों के लिए तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण पदार्थों को पारदर्शी सिरेमिक, इलेक्ट्रो-सिरेमिक और मल्टीफ़ेरिक्स के क्षेत्र में विकसित की जा रही है।
तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण सिरेमिक पदार्थों को इन-हाउस निर्मित/संश्लेषित करने के लिए काफी प्रयास किए गए हैं:
लेजर होस्ट, आईआर विंडो, इलेक्ट्रो-ऑप्टिक और सिंटिलेटर अनुप्रयोगों के लिए पारदर्शी सिरेमिक।
फेरो-इलेक्ट्रिक, पीजो-इलेक्ट्रिक और मल्टी-फेरोइक पदार्थ।
अनुप्रयोग:
अधिक जानकारी के लिए नीचे क्लिक करें:
लेजर होस्ट अनुप्रयोग हेतु पारदर्शी सिरेमिक:
निर्मित पदार्थ: Nd:YAG, Yb:YAG and Nd:Y2O3.
आयाम: व्यास= 13 mm; मोटाई = 1 mm.
निर्माण विधि: नैनो पाउडर संश्लेषण, संघनन और सिंटरिंग।
गुण:
अवशोषण और फोटोल्यूमिनेसेंस: रिपोर्ट किए गए परिणामों से तुलनीय।
पारदर्शिता: 75-79% (फ्रेस्नेल हानि सुधार के बिना) 1000 nm पर। 84% की लक्षित पारदर्शिता प्राप्त करने के लिए एचआईपी की मदद से अवशिष्ट सरंध्रता को कम करने के लिए और अनुकूलन जारी है।
Nd:YAG, Yb:YAG तथा Nd:Y2O3
Nd:YAG सिरेमिक का ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रा
एस-सिंटर्ड एवं एनील्ड Yb-YAG सिरेमिक का ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रा
विवरण हेतु देखें:
G. Singh et al., Bull. Mater. Sci. 42 (2019) 273.
G. Singh et al., Scripta Materialia 167 (2019) 61.
S. Karmakar et al. AIP Conference Proceedings 1512 (2013) 1260.
सिंटिलेटर अनुप्रयोगो हेतु पारदर्शी सिरेमिक:
निर्मित पदार्थ: Ce:YAG (Optimum Ce concentration: 0.1-0.2 mol%).
आयाम: व्यास= 30 mm; मोटाई = 0.5 mm.
निर्माण विधि: नैनो पाउडर संश्लेषण, संघनन और सिंटरिंग।
गुण:
अवशोषण और फोटोल्यूमिनेसेंस: रिपोर्ट किए गए परिणामों से तुलनीय।
पारदर्शिता: 75% (फ्रेस्नेल हानि सुधार के बिना) 1000 nm पर।
सफलतापूर्वक परीक्षण किया गया:
प्रयोगशाला स्रोत के साथ-साथ ~ 20 माइक्रोन के स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के एक्स-रे सिंक्रोट्रॉन (INDUS-2) स्रोत का उपयोग करके एक्स-रे इमेजिंग ।/li>
इलेक्ट्रॉन बीम (ऊर्जा: 5 - 35 केवी; धारा: 10 से 46 mA) और हाइड्रोजन नकारात्मक आयन का पता लगाना।
विभिन्न मोटाई के Ce:YAG में आंशिक रूपांतरण विधि का उपयोग करके सफेद रोशनी उत्पन्न करना।
पारदर्शी Ce:YAG सिरेमिक एवं प्रकाशिक लक्षण वर्णन
प्रयोगशाला के साथ-साथ ~ 20 माइक्रोन के स्थानिक संकल्प के सिंक्रोट्रॉन (INDUS-2) एक्स-रे स्रोत का उपयोग करके एक्स-रे इमेजिंग
इलेक्ट्रॉन बीम (ऊर्जा: 5 - 35 केवी; धारा: 10 से 46 mA) और हाइड्रोजन नकारात्मक आयन का पता लगाना
विभिन्न मोटाई के Ce:YAG में आंशिक रूपांतरण विधि का उपयोग करके सफेद प्रकाश उत्पादन।
विवरण हेतु देखें:
G. Singh et al., NSRP 21, RRCAT, Indore, March 5-7, (2018).
G. Singh et al., Ceramic International, 43 (2017) 9032.
S K Pathak et al., NMD-ATM 2017, BITS-Pilani, Goa campus, 11-14 Nov.(2017).
आईआर विंडो अनुप्रयोग के लिए पारदर्शी सिरेमिक:
मोनोलिथिक मुक्त खड़े ZnS रिक्त स्थान और गुंबदों की अखंड वृद्धि उप-वायुमंडलीय दबाव रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD) का उपयोग करके गढ़ी गई है। ऑप्टिकल गुण पहले की रिपोर्ट के अनुरूप हैं। सिरेमिक में पीला रंग सल्फर के कारण होता है।
सामरिक अनुप्रयोग के लिए थर्मल इमेजिंग उपकरण की सुरक्षा के लिए इस पदार्थों का उपयोग आईआर-विंडो के रूप में किया जाता है
निर्मित पदार्थ: मोनोलिथिक जिंक सल्फाइड (ZnS).
आयाम: (i) ब्लैंक, व्यास = 80 mm; मोटाई = 2.0 mm (ii) गुंबद, रिम व्यास = 80 mm, मोटाई = 2.0 mm.
निर्माण विधि: रासायनिक वाष्प निक्षेप (CVD).
गुण:
चरण: लैटिस मापदंडों के साथ घन क्रिस्टल समरूपता 5.405 Ao.
पार्दर्शिता: 8-12 μm तरंग दैर्ध्य क्षेत्र में 65-68% संचरण।
विकर्स स्केल पर कठोरता: 175 - 200 (50 ग्राम लागू भार के साथ)।
घनत्व: 4.09 ग्राम/सीसी
मुक्त खड़े पारदर्शी ZnS ब्लैंक तथा गुंबद
पाउडर एक्सआरडी स्पेक्ट्रा
ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रा
विवरण हेतु देखें:
S. K. Pathak et al., Bharatiya Vaigyanik evam Audyogik Anusandhan Patrika (CSIR-Hindi Journal) 12, 39-42, 2004.
S. M. Gupta et al., Proceeding of International School on Crystal Growth of Technologically Important Electronic Materials, 523-534, 2003.
S. Karmakar et al., SAMPADA-2008, Pune, Dec. 8-12, (2008).
इलेक्ट्रो-ऑप्टिक अनुप्रयोग के लिए पारदर्शी सिरेमिक:
निर्मित पदार्थ: PLZT तथा Nd एवं Yb सहमिश्रित PLZT.
आयाम:प्लेट, लम्बाई तथा चौडाई 5-10 mm; मोटाई = 2.0 mm.
निर्माण विधि: PLZT पाउडर की हॉट प्रेस्सिंग द्वारा।
गुण:
अवस्था: छद्म-घन क्रिस्टल समरूपता।
पार्दर्शिता: ~ 1 μm तरंग दैर्ध्य पर 40-50% संचरण।
Application: He-Ne लेजर लाइट के लिए मापा गया हाफ-वेव वोल्टेज केडीपी के क्रिस्टल के लिए ~ 8 kV की तुलना में केवल 200 V है।
पार्दर्शी PLZT
पार्दर्शी Nd मिश्रित PLZT
पार्दर्शी Yb मिश्रित PLZT
विवरण हेतु देखें:
G. Singh et al. Journal of Luminescence 192 (2017) 1084.
G. Singh et al., J. of Alloys and Comp., 509 (2011) 4127.
G. Singh et al., J. of Electroceramics, 25 (2010) 82.
रिलैक्सर फेरोइलेक्ट्रिक्स:
रिलैक्सर फेरोइलेक्ट्रिक्स (आरएफई) फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के एक विशेष वर्ग से संबंधित हैं, जिन्होंने पिछली आधी शताब्दी में अपने असाधारण परावैद्युत, पीजोइलेक्ट्रिक, इलेक्ट्रोमैकेनिकल, इलेक्ट्रो-कैलोरिक और पायरोइलेक्ट्रिक गुणों के कारण
वैज्ञानिक समुदाय का अविश्वसनीय ध्यान आकर्षित किया है, जो इसे पीजोइलेक्ट्रिक/इलेक्ट्रोस्ट्रिक्टिव एक्ट्यूएटर्स, सेंसर्स और इलेक्ट्रो-ऑप्टिक और फोटोरिफ्रेक्टिव तत्वों के रूप में तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण बनाते हैं।
ठोस अवस्था मार्ग का उपयोग करके रिलैक्सर पदार्थों को विकसित किया जाता है एवं उनकी संरचना एबं गुणों में सहसंबंध स्थापित किया जाता हैं।
शोधित पदार्थ: लेड मैग्नीशियम निओबेट(PMN)
अनसुलझे प्रश्न: यह स्पष्ट नहीं था (i) किस तापमान पर रासायनिक क्रम क्षेत्र (सीओआर) दिखाई देते हैं और सीओआर का आकार सिंटरिंग तापमान, ध्रुवीय नैनो क्षेत्रों (पीएनआर) से कैसे संबंधित है।
हल किए गए प्रश्न: वर्तमान जांच ने निष्कर्ष निकाला है कि कैल्सीनेशन के दौरान पेरोसाइट चरण बनते ही सीओआर बनते हैं क्योंकि:
800 oC पर हॉट प्रेस्ड PMN में <110> ज़ोन अक्ष SAED पैटर्न में <111> के साथ (½½½) सुपरलैटिस परावर्तन की उपस्थिति।
बढ़ते हुए सिंटरिंग तापमान के साथ सीओआर का आकार अपरिवर्तित रहता है।
εm में 8000 से 25000 तक वृद्धि (Tm का 278 K से 263 K तक स्थानांतरण)।
Pmax को 9 से बढ़ाकर ~17 μC/cm2 करने का मतलब पीएनआर के आकार और उनकी सहकारी परस्पर क्रिया में वृद्धि है।
चयनित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन की तुलना <110> इकाई अक्ष (d, f), डार्क फील्ड इमेज (g, i),
एसईएम छवि (a,e) के लिए 800 (एचपी800) और 1200 oC (एचपी1200) पर हॉट प्रेस्ड PMN के लिए
एचपी 800 और एचपी 1200 सिरेमिक के लिए डाइलेक्ट्रिक (e, a) और फेरोइलेक्ट्रिक (a, c) गुण।
विवरण हेतु देखें: S. M. Gupta et al. , Mat. Sci. and Eng. B, 260, (2020) 114618 .
अनसुलझे प्रश्न:रिलैक्सेशन तंत्र, रिलैक्सर से सामान्य-फेरोइलेक्ट्रिक परिवर्तन तथा आकार स्मृति प्रभाव पूर्व प्रकाशनों में उपलब्ध नहीं था।
हल किए गए प्रश्न:
कंपोजिशन रेंज 0.42 < x < 0.46, में रिलेक्सर से सामान्य फेरोइलेक्ट्रिक ट्रांसफॉर्मेशन के लिए क्रॉस-ओवर, जहां पीजोइलेक्ट्रिक (डी 33) और इलेक्ट्रोमैकेनिकल (के 31) गुणांक अधिकतम थे।
आकार-स्मृति तनाव पीएमएन-पीटी सिरेमिक की पतली पट्टियों में इसके मॉर्फोट्रोपिक चरण-सीमा के पास रचनाओं के लिए।
65/35 PMN-PT में मापा गया अधिकतम छद्म प्लास्टिक स्ट्रेन ~ 0.3% था।
कंपोजिशन रेंज 0.42 < x < 0.46, में रिलेक्सर से सामान्य फेरोइलेक्ट्रिक ट्रांसफॉर्मेशन के लिए एक क्रॉस-ओवर, जहां पीजोइलेक्ट्रिक (डी 33) और इलेक्ट्रोमैकेनिकल (के 31) गुणांक अधिकतम थे।
65/35 PMN-PT में मापा गया छद्म प्लास्टिक स्ट्रेन
विवरण हेतु देखें:
G. Singh et al., J. of Alloys and Comp., 523 (2012) 30.
G. Singh et al., J. Appl. Phys., 106 (2009) 124104.
G. Singh et al., J. Appl. Phys., 101 (2007) 014115.
S. M. Gupta et al., Smart Mater. Struct. 16, 12461251, (2007).
S. M. Gupta et al., Solid State Communication, 131, 665 (2004).
Ca की 8 mol% की इष्टतम मात्रा हेतु पीजोइलेक्ट्रिक और इलेक्ट्रो-कैलोरी गुणांक लगभग 30 और 50% तक बढ़ गए।
0.5% Nb+5 आयन के डोपिंग के साथ (Na0.41K0.09 Bi0.5)TiO3 के पीजोइलेक्ट्रिक गुणों में 20-25% की वृद्धि।
एलियो-वैलेंट प्रतिस्थापित बेरियम टाइटेनेट (Ba1-yKyTi1-xNbx)O3) संयोजन (x = y = 0, 0.05, 0.075 और 0.15)
में तापमान पर निर्भर डाइइलेक्ट्रिक गुण का पता चला है
(a) फेरोइलेक्ट्रिक व्यवहार में विशिष्ट रिलैक्सर वाले व्यवहार में परिवर्तन एवं (b) अधिकतम ~ 0.06% इलेक्ट्रोस्ट्रिक्शन स्ट्रेन जिसमें लगभग कोई हिस्टैरिसीस नुकसान नहीं होता है।
पीजोइलेक्ट्रिक और चरण संक्रमण तापमान संरचना पर निर्भरता
(Na0.41K0.09Bi0.5)TiO3 के पीजोइलेक्ट्रिक गुण में Nb5+ डोपिंग के साथ परिवर्तन
एलियो-वैलेंट प्रतिस्थापित बेरियम टाइटेनेट
(Ba1-yKyTi1-xNbx)O3) संयोजन (x = y = 0, 0.05, 0.075 और 0.15) में तापमान पर निर्भर डाइइलेक्ट्रिक गुण
विवरण हेतु देखें:
A. Sharma et al, J. Materials Res., 36 (2021) 2950.
G. Singh et al., J. of App. Phys, 115 (2014) 044103.
G. Singh et al. Applied Physics Letter, 103 (2013) 202903.
G. Singh et al., Applied Physics Letter, 102 (2013) 082902.
G. Singh et al., Applied Physics Letter, 102 (2013) 162905.
3. मल्टीफ़ाइरिक्स:
हाल ही में, फेरोइलेक्ट्रिक सिरेमिक में चुंबकीय आयन (संक्रमण धातु या रेयर-अर्थ) डोपिंग की गहन जांच की जा रही है ताकि नई कार्यक्षमता, जैसे कि चुंबकत्व को जोड कर इसे मल्टीफ़ेरिक्स बनाया जा सके। मल्टीफ़ेरिक्स एकल चरण यौगिक या मल्टीफ़ेज़ कंपोजिट हैं,
जिसमें एक साथ दो या अधिक प्राथमिक फेरोइक ऑर्डर होते हैं (फेरोइलेक्ट्रिक, फेरोमैग्नेटिक और फेरोएलास्टिक)। वर्तमान में, बहु-फेरोइक पदार्थ अपने तकनीकी महत्व और वैज्ञानिक चुनौतियों के कारण बहुत अधिक ध्यान आकर्षित कर रही है
क्योंकि चुंबकत्व और फेरोइलेक्ट्रिकिटी दो स्वतंत्र घटनाएं हैं।
अनसुलझे प्रश्न: इन सिरेमिक में चुंबकत्व कैसे विकसित होता है, यह ज्ञात नहीं था।
हल किए गए प्रश्न: Gd-प्रतिस्थापित PMN Pb1-xGdx(Mg1+x/3Nb2-x/3 >)O3 (0 ≤ x ≤ 0.1) सिरेमिक से ज्ञात हुआ कि:
x 0.05 के लिए दूसरे GdNbO4 और MgO चरणों का पृथक्करण।
सीओआर के आकार में वृद्धि और पीएनआर के आकार में कमी।
पीएनआर एसेम्बल की गंभीर धीमी गति के परिणामस्वरूप सुपर-डाइपोलर ग्लास स्टेट बन गया।
तापमान और क्षेत्र प्रेरित चुंबकीयकरण एम (टी / एच) जांच से अनुचुंबकीय व्यवहार का पता चला।
मैग्नेटाइजेशन और मैग्नेटोडायइलेक्ट्रिक (एमडी) अध्ययन ने कुछ बहुत छोटे आकार के सहसंबद्ध क्षेत्रों का खुलासा किया है जहां जीडी-आयन ए-साइट और बी-साइट पर एक ही लैटिस में मौजूद हैं।
पीसीएन में 150 K के आसपास कमजोर एंटी-फेरोमैग्नेटिक सहसंबंधों के विकास के कारण पीसीएन में पुन: प्रवेश करने वाला आराम करने वाला व्यवहार देखा जाता है।
उज्ज्वल क्षेत्र छवियों की तुलना (ए) - (सी),
चयनित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन के साथ <110> इकाई अक्ष (डी)-(एफ) और अंधेरे क्षेत्र छवियों (जी)-(आई) PMN, PGMN5, और PGMN10 सेरामिक के लिए।
½<111> अक्ष के साथ सुपरलैटिस परावर्तन की उपस्थिति को एक तीर द्वारा दिखाया गया है।
विभिन्न तापमानों पर पीसीएन सिरेमिक नमूने का पीई हिस्टैरिसीस, (ए) 275 K, (बी) 180 K और (सी) 80 K,
(डी)E = 10 kV/cm लागू विद्युत क्षेत्र के लिए PCN सिरेमिक नमूने के Pmax, Pr और Ec की तापमान निर्भरता।
(ए) पीएमएन, और (बी) जीडी-डॉप्ड पीएमएन सिरेमिक नमूने के साथ-साथ
पीबी, जीडी, एमजी, और एनबी मौलिक मानचित्रण की खंडित सतह का एसईएम माइक्रोग्राफ, पेरोसाइट कणों में इन आयनों के समान वितरण और GdNbO4 एवं MgO अवस्था की उपस्थिति को दर्शाता है।
अलग-अलग "x" के लिए 1 kHz आवृत्ति पर ε'(T)/ε'm(T) बनाम T/Tm कर्व्स की तुलना।
इनसेट "x" के साथ डाइइलेक्ट्रिक मैक्सिमा (Tm 1 kHz पर) के तापमान की भिन्नता को दर्शाता है।
Gd-प्रतिस्थापित PMN सिरेमिक का MH वक्र [Pb1-xGdx(Mg1/3Nb2/3 sub>)1-x/4O3 x = 0.01 से 0.1 के लिए] पर (a) T = 300 K, (b) T = 5 K; . ऊपरी इनसेट ब्रिलौइन फ़ंक्शन द्वारा फिट किए गए Gd-PMN सिरेमिक के सामान्यीकृत M/Mo बनाम μoH/T प्लॉट को दर्शाता है और । निचला इनसेट 1Gd-PMN और 10Gd-PMN सिरेमिक के M-H हिस्टैरिसीस प्लॉट के बड़े दृश्य को दर्शाता है।
एH = 10 Oe क्षेत्र और विभिन्न आवृत्तियों पर एसी चुंबकीय संवेदनशीलता के (ए) वास्तविक (χ') और (बी) काल्पनिक (χ") भागों की तापमान निर्भरता; ऊपरी इनसेट पीक के आसपास χ' का विस्तृत दृश्य दिखाता है और निचला इनसेट 5Gd-PMN सिरेमिक नमूने के लिए χ' के दूसरे व्युत्पन्न प्लॉट को दर्शाता है।
विवरण हेतु देखें:
S. M. Gupta et al., Mat. Sci. and Eng. B, 253 (2020) 114495.
S. M. Gupta et al., Scripta Materialia 162, (2019).
S. M. Gupta et al., Acta Materialia, 177, 160 (2019).
S. M. Gupta et al., J. Appl. Phys., Vol. 122, no. 04, (2017) 044101.
S. M. Gupta et al., J. Alloys and Comp., Vol. 682, p. 180-187, Aug. 2016.