रासायनिक ऊष्म निक्षेपण

रासायनिक ऊष्म निक्षेपण, जिसे रासायनिक समाधान निक्षेपण और सीबीडी भी कहा जाता है, एक जलीय अग्रदूत समाधान का उपयोग करके पतली-फिल्म निक्षेपण (एक समाधान या गैस से बनने वाले ठोस) की एक विधि है। रासायनिक ऊष्म निक्षेपण सामान्यतः विषम न्यूक्लिएशन (एक ठोस सब्सट्रेट पर जलीय आयनों का निक्षेपण या सोखना) का उपयोग करके फिल्में बनाता है, धातु चॉकोजेनाइड्स (ज्यादातर ऑक्साइड, सल्फाइड, और सेलेनाइड) और कई कम आम आयनिक की सजातीय पतली फिल्मों का निर्माण करता है। यौगिक। कम बुनियादी ढांचे के साथ, कम तापमान (<100˚C), और कम लागत पर एक सरल प्रक्रिया का उपयोग करते हुए, रासायनिक ऊष्म निक्षेपण से फिल्मों का निर्माण मज़बूती से होता है। इसके अतिरिक्त, रासायनिक ऊष्म निक्षेपण को बड़े क्षेत्र के बैच प्रसंस्करण या निरंतर निक्षेपण के लिए नियोजित किया जा सकता है। सीबीडी द्वारा निर्मित फिल्मों का उपयोग अधिकांशतः अर्धचालकों, फोटोवोल्टिक कोशिकाओं और सुपरकैपेसिटर में किया जाता है, और नैनो सामग्री बनाने के लिए रासायनिक ऊष्म निक्षेपण का उपयोग करने में रुचि बढ़ती है।

उपयोग
रासायनिक ऊष्म निक्षेपण औद्योगिक अनुप्रयोगों में उपयोगी है क्योंकि यह पतली-फिल्म निक्षेपण के अन्य विधियों की तुलना में बेहद सस्ता, सरल और विश्वसनीय होती है, जिसके लिए (अपेक्षाकृत) कम तापमान और न्यूनतम बुनियादी ढांचे पर केवल जलीय घोल की आवश्यकता होती है। रासायनिक ऊष्म निक्षेपण प्रक्रिया को बड़े क्षेत्र के प्रसंस्करण या निरंतर निक्षेपण तक आसानी से बढ़ाया जा सकता है।

रासायनिक ऊष्म निक्षेपण छोटे क्रिस्टल बनाता है, जो अर्धचालकों के लिए पतली-फिल्म 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 फिल्मों में अधिकांशतः अन्य विधियों से बनने वाले समान पदार्थ की फिल्मों की तुलना में बेहतर फोटोवोल्टिक गुण होते है।

ऐतिहासिक उपयोग
रासायनिक ऊष्म निक्षेपण का एक लंबा इतिहास रहा है लेकिन हाल तक यह पतली-फिल्म निक्षेपण की एक असामान्य विधि थी।

1865 में, जस्टस वॉन लिबिग ने एक लेख प्रकाशित किया जिसमें रासायनिक ऊष्म निक्षेपण के उपयोग का वर्णन किया गया था (एक दर्पण बनाने के लिए कांच के पीछे चांदी की एक परावर्तक परत चिपकाने के लिए), चूंकि आधुनिक समय में विद्युत लेपन और निर्वात निक्षेपण अधिक सामान्य है।

WWII के आसपास, लेड सल्फाइड (PbS) और लेड सेलेनाइड (PbSe) CBD फिल्मों का उपयोग इन्फ्रारेड डिटेक्टरों में किया जाता है। रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा बनने पर ये फिल्में फोटोकंडक्टिव होती है।

सेमीकंडक्टर्स में भी उपयोग होने वाली पतली फिल्मों को बनाने में रासायनिक ऊष्म निक्षेपण का एक लंबा इतिहास रहा है। चूँकि जमा क्रिस्टल का छोटा आकार अर्धचालकों के लिए आदर्श नहीं है और आधुनिक समय में अर्धचालकों के निर्माण के लिए रासायनिक ऊष्म निक्षेपण का उपयोग संभवतः ही कभी किया जाता है।

फोटोवोल्टिक्स
फोटोवोल्टिक सेल रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा जमा की गई फिल्मों का सबसे आम उपयोग है क्योंकि कई फिल्मों में अन्य विधियों से जमा होने की तुलना में सीबीडी के माध्यम से जमा होने पर बेहतर फोटोवोल्टिक गुण होते है। ऐसा इसलिए है क्योंकि रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा बनाई गई पतली फिल्में अन्य विधियों से बनने वाली पतली फिल्मों की तुलना में अधिक आकार की मात्रा का प्रदर्शन करती है, और इसलिए छोटे क्रिस्टल और अधिक प्रकाशिक बैंड गैप होता है। इन बेहतर फोटोवोल्टिक गुणों के कारण कैडमियम सल्फाइड (सीडीएस), फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में एक पतली फिल्म होती है, जो सीबीडी द्वारा सबसे अधिक जमा किया जाने वाला पदार्थ है और पदार्थ की सीबीडी शोध पत्रों में सबसे अधिक जांच की जाती है।

फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में बफर 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 फिल्मों 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 फिल्मों में एक ऊर्जा अंतराल होता है जिसे ठीक से नियंत्रित किया जा सकता है। इस चयनात्मक संचरण का उपयोग परावर्तक - विरोधी लेप और एंटी-डैज़लिंग कोटिंग्स, सौर तापीय अनुप्रयोगों, प्रकाशिक फिल्टर, रिफ्लेक्टर आदि के लिए किया जा सकता है। रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा जमा की गई फिल्मों में एंटी-रिफ्लेक्शन, एंटी-डैजलिंग, थर्मल कंट्रोल विडो कोटिंग्स, प्रकाशिक फिल्टर, टोटल रिफ्लेक्टर, पोल्ट्री प्रोटेक्शन और वार्मिंग कोटिंग्स, प्रकाश उत्सर्जक डायोड, सौर सेल फैब्रिकेशन और वैरिस्टर में संभावित अनुप्रयोग है।

नैनो सामग्री
रासायनिक ऊष्म निक्षेपण या इलेक्ट्रोलेस निक्षेपण में नैनोमैटेरियल्स के क्षेत्र में शानदार अनुप्रयोग है, क्योंकि छोटा क्रिस्टल आकार नैनोमीटर पैमाने पर गठन को सक्षम बनाता है, क्योंकि रासायनिक ऊष्म निक्षेपण फिल्मों के गुणों और नैनोस्ट्रक्चर को त्रुटिहीन रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, और क्योंकि रासायनिक ऊष्म निक्षेपण द्वारा जमा की गई फिल्मों की एक समान मोटाई, संरचना और ज्यामिति फिल्म को बनाए रखने की अनुमति देती है। नैनोमीटर पैमाने पर भी रासायनिक ऊष्म निक्षेपण की कम लागत और उच्च विश्वसनीयता किसी भी अन्य पतली-फिल्म निक्षेपण तकनीक के विपरीत होते है। रासायनिक ऊष्म निक्षेपण का उपयोग पॉलीक्रिस्टलाइन और एपिटाक्सी फिल्मों, सुपरलैटिस और कंपोजिट के उत्पादन के लिए किया जा सकता है।

प्रक्रिया
रासायनिक ऊष्म निक्षेपण एक समाधान बनाने पर निर्भर करता है जैसे कि निक्षेपण (चरण संक्रमण) (एक जलीय से ठोस पदार्थ में परिवर्तन) केवल नीचे की विधि का उपयोग करके सब्सट्रेट पर होता है:


 * धातु के लवण और (सामान्यतः) चॉकोजेनाइड अग्रदूतों 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 मेटास्टेबल अतिसंतृप्ति में न हो, यह तब तक है जब तक आयन जमा करने के लिए तैयार नहीं होते है, लेकिन न्यूक्लिएशन (ठोस क्रिस्टल बनाने और घोल से बाहर निकलने) के लिए थर्मोडायनामिक बाधा को दूर नहीं कर सकते है। * एक सब्सट्रेट प्रस्तुत किया जाता है, जो न्यूक्लिएशन के उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है, और पूर्ववर्ती आयन नीचे वर्णित दो विधियों में से एक द्वारा एक पतली क्रिस्टलीय फिल्म बनाने वाले सब्सट्रेट पर पालन करते है।

अर्थात्, समाधान एक ऐसी अवस्था में है जहाँ अग्रदूत आयन या कोलाइडल कण 'चिपचिपा' होते है, लेकिन एक दूसरे से 'चिपक' नहीं सकते। जब सब्सट्रेट प्रस्तुत किया जाता है, तो अग्रदूत आयन या कण उससे चिपक जाते है और जलीय आयन ठोस आयनों से चिपक जाते है, जिससे एक ठोस यौगिक बनता है - क्रिस्टलीय फिल्म बनाने के लिए जमा होता है।

फिल्म का पीएच, तापमान और संरचना क्रिस्टल के आकार को प्रभावित करती है, और इसका उपयोग फिल्म 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 आंदोलन, रोशनी और उस फिल्म की मोटाई सम्मलित होती है जिस पर क्रिस्टल जमा होता है। विलयन को उत्तेजित करने से निलंबित कोलाइडल क्रिस्टल के निक्षेपण को रोकता है, आंदोलन गठन की गति और तापमान को प्रभावित करता है जिस पर गठन होता है, और जमा किए गए क्रिस्टल की संरचना को बदल सकता है।

अधिकांश अन्य निक्षेपण प्रक्रियाओं के विपरीत, रासायनिक ऊष्म निक्षेपण अनियमित (प्रतिरूपित या आकार) सबस्ट्रेट्स पर भी समान मोटाई, संरचना, और ज्यामिति (पार्श्व समरूपता) की एक फिल्म बनाने के लिए 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।

आयन-द्वारा-आयन तंत्र
आयन-दर-आयन निक्षेपण में, जलीय अग्रदूत आयन पतली फिल्म 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 एजेंट का उपयोग किया जाता है। धातु सॉल्ट और चेलकोजेनाइड सॉल्ट असंबद्ध होकर प्रीकर्सर धातु केशन और चेलकोजेनाइड आयन बनाते है, जो वैन डेर वाल्स बल द्वारा सब्सट्रेट की ओर आकर्षित होते है और उनका पालन करते है। 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।

प्रतिक्रिया का एक उदाहरण, कैडमियम सल्फाइड जमा करना, नीचे दिखाया गया है:

(निक्षेपण)

हाइड्रोक्साइड-क्लस्टर तंत्र
हाइड्रॉक्साइड-क्लस्टर निक्षेपण तब होता 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 पिंजरों के लिए लिगेंड के रूप में कार्य करते है, अघुलनशील कोलाइड क्लस्टर बनाते है जो दोनों पूरे समाधान में फैल जाते है और 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, दोनों फैल गए और जमा हो गए, धातु चाकोजेनाइड क्रिस्टल बनाते है। ये क्रिस्टल पतली फिल्म 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 एक न्यूक्लिएशन साइट है, यह निक्षेपण विधि सामान्यतः आयन-दर-आयन निक्षेपण की तुलना में छोटे और अधिक समान क्रिस्टल में परिणत होते है।

कैडमियम सल्फाइड जमा करने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया का एक उदाहरण नीचे दिखाया गया है:

(कैडमियम हाइड्रॉक्साइड क्लस्टर का गठन)

(प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया)

सब्सट्रेट
पतली-फिल्म निक्षेपण के अन्य विधियों के विपरीत, किसी भी सब्सट्रेट जो जलीय घोल में रासायनिक रूप से स्थिर होते है, सैद्धांतिक रूप से रासायनिक ऊष्म निक्षेपण में उपयोग किया जा सकता है। फिल्म के वांछित गुण सामान्यतः सब्सट्रेट की पसंद तय करते है, उदाहरण के लिए, जब प्रकाश पारदर्शिता वांछित होते है तो विभिन्न प्रकार के कांच का उपयोग किया जाता है, और फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों में सामान्यतः प्रयोग किया जाता है। पतली फिल्मों के गठन और संरचना को निर्देशित करने के लिए सबस्ट्रेट्स को मोनोलयर्स के साथ भी प्रतिरूपित किया जा सकता है। सबस्ट्रेट्स जैसे कार्बोनाइज्ड मेलामाइन फोम (सीएफएम) और ऐक्रेलिक एसिड (AA) हाइड्रोजेल कुछ विशेष अनुप्रयोगों के लिए भी उपयोग किया जा सकता है।