अल्ट्रासोनिक संश्लेषण द्वारा विकसित ZnO नैनोसंरचनाएँ

अल्ट्रासोनिक नैनोकण संश्लेषण ने सौम्य अभिक्रिया परिस्थितियों में नियंत्रित आकार, आकृति और क्रिस्टलीयता वाले नैनोपदार्थों के उत्पादन की अपनी क्षमता के कारण बढ़ता ध्यान आकर्षित किया है। यह तकनीक स्थानीय स्तर पर उच्च तापमान और दाब उत्पन्न करने के लिए ध्वनिक कैविटेशन का उपयोग करती है, जिससे नैनोकणों के नाभिकन और वृद्धि को बढ़ावा मिलता है। पारंपरिक संश्लेषण विधियों की तुलना में, अल्ट्रासोनिक संश्लेषण तीव्र अभिक्रिया दर, पैमाना बढ़ाने की क्षमता और अभिक्रिया मापदंडों में बदलाव करके संरचनात्मक गुणों को सूक्ष्म रूप से समायोजित करने की क्षमता जैसे लाभ प्रदान करता है।

संशोधित संरचनाओं वाले नैनोकणों के अल्ट्रासोनिक संश्लेषण के लाभों को उजागर करने के लिए हम ZnO नैनोसंरचनाओं के संश्लेषण को एक उदाहरण के रूप में प्रस्तुत करते हैं। Morales-Flores et al. (2013) का अध्ययन ZnO नैनोसंरचनाओं की आकृति को नियंत्रित करने में सोनोकेमिकल संश्लेषण की भूमिका की पड़ताल करता है। Hielscher प्रोब-प्रकार के सोनिकेटर UP400St (400 वाट, 24 kHz) का उपयोग करके शोधकर्ताओं ने दिखाया कि अभिक्रिया परिस्थितियों, विशेष रूप से pH, में बदलाव ZnO नैनोसंरचनाओं की अंतिम आकृति, संरचनात्मक गुणों और प्रकाशसंदीप्ति व्यवहार को कैसे प्रभावित करते हैं।

प्रायोगिक व्यवस्था – सोनिकेशन का उपयोग करके ZnO नैनोकणों का संश्लेषण

जिंक एसीटेट (0.068 M) के जलीय विलयनों को आर्गन प्रवाह के अंतर्गत 40 W क्षयित शक्ति पर अल्ट्रासोनिक विकिरण के संपर्क में रखा गया। अमोनियम हाइड्रॉक्साइड (NH4OH) का उपयोग करके अभिक्रिया का pH 7 और 10 के बीच समायोजित किया गया, जिससे संश्लेषित ZnO संरचनाओं की आकृति पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा। सोनोकेमिकल प्रक्रिया ने ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न किया, जिससे स्थानीय स्तर पर उच्च तापमान और उच्च दाब की परिस्थितियाँ बनीं, जिन्होंने ZnO के नाभिकन और वृद्धि को बढ़ावा दिया।

आकृति और संरचनात्मक गुणों पर pH का प्रभाव

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) से विभिन्न pH स्तरों पर अलग-अलग आकृतियाँ सामने आईं:

• pH 7.0: मिश्रित ZnO/Zn(OH)2 प्रावस्था के साथ छड़ जैसी ZnO नैनोसंरचनाओं (86 nm चौड़ाई, 1182 nm लंबाई) का निर्माण।
• pH 7.5–8.0: सपाट फलकों वाली छड़ों और कपनुमा सिरों वाली छड़ों (~250–430 nm लंबाई, 135–280 nm चौड़ाई) में संक्रमण।
• pH 9.0: उच्च सूक्ष्म विकृति वाली तकुए के आकार की ZnO नैनोसंरचनाएँ (~256 nm लंबाई, 95 nm चौड़ाई)।
• pH 10.0: कम दोष घनत्व वाली एकसमान, सपाट फलकों वाली नैनोछड़ें (~407 nm लंबाई, 278 nm चौड़ाई)।

अभिक्रिया मिश्रण के (a) pH 7, (b) pH 7.5, (c) pH 8, d) pH 9,
और (e) pH 10 पर विकसित, अल्ट्रासोनिक रूप से संश्लेषित ZnO नैनोसंरचनाओं के SEM सूक्ष्मचित्र।
(अध्ययन और चित्र: ©Flores-Morales et al., 2013)

एक्स-रे विवर्तन (XRD) ने pH > 7 पर षट्कोणीय वुर्ट्ज़ाइट ZnO की उपस्थिति की पुष्टि की, जिसमें उच्च pH मानों पर बढ़ी हुई क्रिस्टलीयता और क्रिस्टल कणों की वृद्धि देखी गई।

प्रकाशीय गुण और दोष नियंत्रण

कमरे के तापमान पर प्रकाशसंदीप्ति (PL) विश्लेषण ने दो मुख्य उत्सर्जन बैंड उजागर किए:

• पराबैंगनी उत्सर्जन (~380 nm): बैंड किनारे के निकट एक्साइटॉनिक संक्रमण।
• दृश्य उत्सर्जन (~580 nm): ऑक्सीजन रिक्तियों और अंतराकाशी दोषों जैसे संरचनात्मक दोषों से संबंधित।

विशेष रूप से, pH बढ़ाने से pH 9 तक दोष-संबंधी उत्सर्जन तीव्रता बढ़ी, जिसका कारण बढ़ा हुआ पृष्ठीय क्षेत्रफल और जालक की अपूर्णताएँ थीं। हालाँकि, pH 10 पर पृष्ठीय और जालक दोषों में कमी के कारण दोष-संबंधी उत्सर्जन की तीव्रता घट गई।

“जलीय विलयन में जिंक एसीटेट के अल्ट्रासोनिक जलअपघटन के दौरान pH समायोजन के माध्यम से उसकी जलअपघटन दर को नियंत्रित करके विभिन्न आकृतियों वाली ZnO नैनोसंरचनाएँ बनाई जा सकीं। जहाँ विलयन का pH 7 या उससे कम होने पर Zn(OH)2 प्रावस्था के साथ मिश्रित अशुद्ध ZnO नैनोसंरचनाएँ बनती हैं, वहीं अभिक्रिया मिश्रण के उच्च pH मानों पर शुद्ध षट्कोणीय प्रावस्था वाली ZnO नैनोसंरचनाएँ बनती हैं। विलयन का pH 7.5 और 10 के बीच नियंत्रित करके विविध आकृतियों वाली प्रावस्था-शुद्ध ZnO नैनोसंरचनाएँ बनाई जा सकीं और उनके संरचनात्मक तथा पृष्ठीय दोषों की सांद्रता को नियंत्रित किया जा सका। ZnO नैनोसंरचनाओं के कुशल रासायनिक संश्लेषण के लिए कम शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग प्रदर्शित किया गया है।”
Flores-Morales et al., 2013

यह अध्ययन ZnO नैनोसंरचना संश्लेषण पर UP400St का उपयोग करके दिए गए अल्ट्रासोनिक विकिरण के गहन प्रभाव को दर्शाता है। pH को समायोजित करके शोधकर्ताओं ने आकृति, क्रिस्टलीयता और दोष घनत्व में सफलतापूर्वक बदलाव किया। निष्कर्ष अनुकूलित नैनोकण संश्लेषण के लिए सोनोकेमिकल विधियों की क्षमता को उजागर करते हैं और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स तथा उत्प्रेरण में अनुप्रयोगों के मार्ग प्रस्तुत करते हैं।

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