स्ट्रोंटियम टाइटेनेट

स्ट्रोंटियम टाइटेनेट स्ट्रोंटियम और टाइटेनियम का एक ऐसा ऑक्साइड है जिसका रासायनिक सूत्र स्ट्रोंटियमटिटेनियम ऑक्सीजन है। कक्ष के तापमान पर, यह पेरोव्स्काइट (संरचना) संरचना के साथ सेंट्रोसिमेट्रिक पैराइलेक्ट्रिसिटी पदार्थ है। इस प्रकार से कम तापमान पर यह बहुत बड़े परावैद्युतांक स्थिरांक ~104 के साथ लोहवैद्युत चरण संक्रमण तक पहुंचता है परंतु क्वांटम उतार-चढ़ाव के परिणामस्वरूप मापे गए न्यूनतम तापमान तक पैरावैद्युत बनी रहती है, जिससे यह क्वांटम पैरावैद्युत बन जाता है। लंबे समय तक यह माना जाता था कि यह पूर्ण रूप से कृत्रिम पदार्थ है, 1982 तक जब इसके प्राकृतिक समकक्ष - साइबेरिया में खोजा गया और इसे टौसोनाइट नाम दिया गया - जिसको अंतर्राष्ट्रीय खनिज संघ द्वारा मान्यता दी गई। टौसोनाइट प्रकृति में अत्यंत दुर्लभ खनिज है, जो बहुत छोटे क्रिस्टल के रूप में होता है। इसका सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोग इसके संश्लेषित रूप में हुआ है, जिसमें इसे कभी-कभी हीरे के सिमुलेंट के रूप में, यथार्थ प्रकाशिकी में, वैरिस्टर में और उन्नत सिरेमिक में पाया जाता है।

इस प्रकार से टौसोनाइट नाम रूसी भू-रसायनज्ञ लेव व्लादिमीरोविच टौसन (1917-1989) के सम्मान में दिया गया था। सिंथेटिक उत्पाद के अप्रयुक्त व्यापार नामों में स्ट्रोंटियम मेसोटाइटेनेट, डायजेम और मार्वेलाइट सम्मिलित हैं। इस उत्पाद को वर्तमान में फैबुलाइट नाम से आभूषणों में उपयोग के लिए विपणन किया जा रहा है। अतः अपने प्रकार के स्थान के अतिरिक्त, प्राकृतिक टौसोनाइट सरंबी पहाड़ी, कॉन्सेप्सियन विभाग (पराग्वे) या कॉन्सेप्सिओन विभाग, परागुआ, और जापान के होंशू में कोटाकी नदी के किनारे में भी पाया जाता है।

गुण
इस प्रकार से अर्धचालकों की विशिष्ट श्रेणी में SrTiO3 का अप्रत्यक्ष ऊर्जा अंतराल 3.25 eV और प्रत्यक्ष अंतराल 3.75 eV है । सिंथेटिक स्ट्रोंटियम टाइटेनेट में कक्ष के तापमान और कम विद्युत क्षेत्र पर बहुत बड़ा परावैद्युतांक स्थिरांक (300) होता है। बहुत शुद्ध क्रिस्टल के लिए इसकी विशिष्ट प्रतिरोधकता 10 9 Ω-सेमी से अधिक है। इसका उपयोग उच्च-वोल्टता संधारित्र में भी किया जाता है। डोपिंग द्वारा मोबाइल आवेश वाहक का परिचय फ़र्मी तरल की ओर ले जाता है। फ़र्मी-तरल धात्विक व्यवहार पहले से ही बहुत कम आवेश वाहक घनत्व पर होता है। अतः इस प्रकार से उच्च इलेक्ट्रॉन घनत्व पर स्ट्रोंटियम टाइटेनेट 0.35 K से नीचे अतिचालकता बन जाता है और यह पहला इन्सुलेटर और ऑक्साइड था जिसे अतिचालक पाया गया था।

स्ट्रोंटियम टाइटेनेट हीरे की तुलना में अधिक सघन (प्राकृतिक के लिए विशिष्ट गुरुत्व 4.88, सिंथेटिक के लिए 5.13) और अधिक मृदु (सिंथेटिक के लिए खनिज कठोरता का मोह स्केल 5.5, प्राकृतिक के लिए 6-6.5) दोनों है। अतः इसकी क्रिस्टल प्रणाली घन क्रिस्टल प्रणाली है और इसका अपवर्तक सूचकांक (2.410-सोडियम प्रकाश द्वारा मापा गया, 589.3 एनएम) लगभग हीरे के समान है (2.417 पर), परंतु प्रकीर्णन (प्रकाशिकी) (अग्नि के लिए उत्तरदायी प्रकाशिक गुण) स्ट्रोंटियम टाइटेनेट का कटा हुआ रत्न) 0.190 (बी-जी अंतराल) पर हीरे का 4.3 गुना है। इसके परिणामस्वरूप YAG, गैडोलीनियम एल्यूमिनियम गार्नेट, गैडोलिनियम गैलियम गार्नेट, घनाकार गोमेदातु और मॉइसनाइट जैसे हीरे और हीरे के सिमुलेंट्स की तुलना में अग्नि का चौंकाने वाला प्रदर्शन होता है।

इस प्रकार से सिंथेटिक्स सामान्यतः पारदर्शी और रंगहीन होते हैं, परंतु लाल, पीला, भूरा और नीला रंग देने के लिए कुछ दुर्लभ पृथ्वी तत्व या संक्रमण धातुओं के साथ मिलाया जा सकता है। प्राकृतिक टौसोनाइट सामान्यतः पारभासी से लेकर अपारदर्शी, लाल भूरे, गहरे लाल या भूरे रंग के होते हैं। दोनों में अदम्य (हीरे जैसी) चमक (खनिज विज्ञान) है। स्ट्रोंटियम टाइटेनेट को शंखाभ विभंग के साथ अत्यधिक भंगुर माना जाता है; प्राकृतिक पदार्थ क्रिस्टल आदत में घन या अष्टफलकीय होती है और खनिज धारियाँ भूरे रंग की होती हैं। हाथ से पकड़े जाने वाले (प्रत्यक्ष दृष्टि) स्पेक्ट्रोस्कोप के माध्यम से, डोपित सिंथेटिक्स डोप किए गए पत्थरों के विशिष्ट समृद्ध अवशोषण वर्ण क्रम को प्रदर्शित करेगा। सिंथेटिक पदार्थ का गलनांक ca. होता है।अतः 2080°C (3776°F) और हाइड्रोफ्लुओरिक अम्ल द्वारा सरलता से आक्षेप किया जाता है। अत्यधिक कम ऑक्सीजन आंशिक दाब के अंतर्गत, स्ट्रोंटियम टाइटेनेट पिघलने वाले तापमान से अत्यधिक नीचे स्ट्रोंटियम के असंगत उर्ध्वपातन (चरण संक्रमण) के माध्यम से विघटित हो जाता है।

इस प्रकार से 105 K से कम तापमान पर, इसकी घन संरचना चतुष्कोणीय में बदल जाती है। इसके मोनोक्रिस्टल का उपयोग प्रकाशिक विंडो और उच्च गुणवत्ता वाले कणक्षेपक निक्षेपण लक्ष्य के रूप में किया जा सकता है।

SrTiO3 उच्च तापमान वाले अतिचालक और कई ऑक्साइड-आधारित पतली फिल्मों के अधिरोहण विकास के लिए उत्कृष्ट कार्यद्रव्य है। यह विशेष रूप से लैंथेनम एल्युमिनेट-स्ट्रोंटियम टाइटेनेट इंटरफ़ेस के विकास के लिए कार्यद्रव्य के रूप में जाना जाता है। अतः नाइओबियम के साथ स्ट्रोंटियम टाइटेनेट को मिलाने से यह विद्युत प्रवाहकीय बन जाता है, जो पेरोव्स्काइट (संरचना) ऑक्साइड के विकास के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एकमात्र प्रवाहकीय एकल क्रिस्टल कार्यद्रव्य में से है। 3.905Å का इसका बल्क जाली पैरामीटर इसे कई अन्य ऑक्साइड के विकास के लिए कार्यद्रव्य के रूप में उपयुक्त बनाता है, जिसमें दुर्लभ-पृथ्वी मैंगनीज, टाइटेनेट, लैंथेनम एल्यूमिनेट (LaAlO3), स्ट्रोंटियम रूथेनेट (SrRuO3) और कई अन्य सम्मिलित हैं। SrTiO3 क्रिस्टल और पतली फिल्में में ऑक्सीजन रिक्ति दोष अत्यधिक सामान्य है। ऑक्सीजन रिक्तियां पदार्थ के चालन बैंड में मुक्त इलेक्ट्रॉनों को प्रेरित करती हैं, जिससे यह अधिक प्रवाहकीय और अपारदर्शी बन जाती है। ये रिक्तियां कम करने वाली स्थितियों के संपर्क के कारण हो सकती हैं, जैसे ऊंचे तापमान पर उच्च निर्वात।

अतः उच्च गुणवत्ता वाली, अधिरोहण SrTiO3 (सिलिकॉन डाइऑक्साइड) परतों को सिलिकॉन डाइऑक्साइड बनाए बिना भी सिलिकॉन पर उगाया जा सकता है, जिससे SrTiO3 एक वैकल्पिक द्वार परावैद्युतांक पदार्थ बन जाता है। यह सिलिकॉन पर अन्य पतली फिल्म पेरोव्स्काइट ऑक्साइड के एकीकरण को भी सक्षम बनाता है।

SrTiO3 यह दिखाया गया है कि इसमें निरंतर प्रकाशिक चालकता होती है, जहां क्रिस्टल को प्रकाश में लाने से इसकी विद्युत चालकता परिमाण के 2 क्रम से अधिक बढ़ जाएगी। प्रकाश बंद होने के बाद, बढ़ी हुई चालकता नगण्य क्षय के साथ कई दिनों तक बनी रहती है।

इस प्रकार से SrTiO3 के महत्वपूर्ण आयनिक यौगिक और इलेक्ट्रॉनिक संचालन के कारण, इसे मिश्रित संवाहक के रूप में उपयोग करने की क्षमता है।

संश्लेषण
अतः सिंथेटिक स्ट्रोंटियम टाइनेट 1940 के दशक के अंत और 1950 के दशक के प्रारंभ में पेटेंट कराए गए कई टाइटेनेट्स में से था; अन्य टाइटैनेट में बेरियम टाइटेनेट और कैल्शियम टाइटेनेट सम्मिलित थे। अनुसंधान मुख्य रूप से संयुक्त राज्य अमेरिका में नेशनल लीड कंपनी (बाद में इसका नाम बदलकर एनएल इंडस्ट्रीज) में लियोन मर्कर और लैंगट्री ई. लिंड द्वारा किया गया था। मर्कर और लिंड ने पहली बार 10 फरवरी, 1953 को विकास प्रक्रिया का पेटेंट कराया; बाद में अगले चार वर्षों में कई शोधन का पेटेंट कराया गया, जैसे कि फ़ीड पाउडर में संशोधन और रंग डोपेंट को सम्मिलित करना था।

मूलभूत वर्न्यूइल प्रक्रिया (जिसे फ्लेम-फ़्यूज़न भी कहा जाता है) में संशोधन विकास की चयनित विधि है। व्युत्क्रमित ऑक्सी-हाइड्रोजन ब्लोपाइप (उपकरण) का उपयोग किया जाता है, जिसमें ऑक्सीजन के साथ मिश्रित फ़ीड पाउडर को सामान्य विधि से ब्लोपाइप के माध्यम से सावधानीपूर्वक दिया जाता है, परंतु ऑक्सीजन पहुंचाने के लिए तीसरे पाइप को सम्मिलित किया जाता है - जिससे ट्राइकोन बर्नर बनता है। इस प्रकार से स्ट्रोंटियम टाइटेनेट के सफल निर्माण के लिए अतिरिक्त ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है, जो अन्यथा टाइटेनियम घटक के कारण पूर्ण रूप से ऑक्सीकरण करने में विफल हो जाएगी। ऑक्सीजन की प्रत्येक मात्रा के लिए अनुपात ca. 1.5 मात्रा हाइड्रोजन है। अत्यधिक शुद्ध फ़ीड पाउडर पहले टाइटेनियम टेट्राक्लोराइड (TiCl4) के साथ स्ट्रोंटियम क्लोराइड (SrCl2) और ऑक्सालिक अम्ल ((COOH)2 · 2 H2O) की अभिक्रिया करके टाइटैनिल द्विक ऑक्सालेट नमक (SrTiO(C2O4)2 · 2 H2O) का उत्पादन करके प्राप्त किया जाता है। क्लोराइड को पूर्ण रूप से समाप्त करने के लिए नमक को धोया जाता है, मुक्त-प्रवाहित दानेदार बनाने के लिए 1000 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाता है आवश्यक संरचना का पाउडर, और फिर इसे पीसकर छान लिया जाता है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि सभी कणों का आकार 0.2-0.5 माइक्रोमीटर के बीच है।

अतः फ़ीड पाउडर ऑक्सीहाइड्रोजन ज्वाला के माध्यम से गिरता है, पिघलता है, और नीचे घूर्णन और धीरे-धीरे उतरते हुए आसन पर गिरता है। लौ के नीचे इसके शीर्ष को इष्टतम स्थिति में रखने के लिए कुर्सी की ऊंचाई को निरंतर समायोजित किया जाता है, और कई घंटों में पिघला हुआ पाउडर शीतित हो जाता है और एकल पेडुंकुलेटेड नाशपाती या बाउल (क्रिस्टल) क्रिस्टल बनाने के बौले (क्रिस्टलीकृत) हो जाता है। यह बॉउल सामान्यतः 2.5 सेंटीमीटर व्यास और 10 सेंटीमीटर लंबा से बड़ा नहीं होता है; प्रारंभ में यह अपारदर्शी काला रंग है, जिसके लिए क्रिस्टल को रंगहीन बनाने और तनाव (रसायन विज्ञान) से राहत देने के लिए ऑक्सीकरण वातावरण में आगे एनीलिंग (धातुकर्म) की आवश्यकता होती है। यह 12 घंटों के लिए 1000°C से अधिक पर किया जाता है।

इस प्रकार से SrTiO3 की पतली फिल्में स्पंदित लेजर निक्षेपण, आणविक किरण अधिरोहण, स्पटर निक्षेपण और परमाणु परत निक्षेपण सहित विभिन्न विधि से अधिरोहण रूप से उगाया जा सकता है। अधिकांश पतली फिल्मों के जैसे, विभिन्न विकास विधियों के परिणामस्वरूप अत्यधिक भिन्न दोष और अशुद्धता घनत्व और क्रिस्टलीय गुणवत्ता हो सकती है, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉनिक और प्रकाशिक गुणों में बड़ी भिन्नता हो सकती है।

हीरे के सिमुलेंट के रूप में उपयोग
अतः इसकी घन संरचना और उच्च प्रकीर्णन ने एक बार सिंथेटिक स्ट्रोंटियम टाइटेनेट को हीरे के सिमुलेंट के लिए प्रमुख उम्मीदवार बना दिया था। प्रारंभ के c. 1955, इस एकमात्र उद्देश्य के लिए बड़ी मात्रा में स्ट्रोंटियम टाइटेनेट का निर्माण किया गया था। स्ट्रोंटियम टाइटेनेट उस समय सिंथेटिक रूटाइल (टाइटेनिया) के साथ प्रतिस्पर्धा में था, और बाद की पदार्थ में निहित दुर्भाग्यपूर्ण पीले रंग की कमी और दृढ़ द्विअर्थीपन की कमी का लाभ था। यद्यपि यह मृदु था, परंतु समानता में यह हीरे के अत्यधिक निकट था। अंततः, यद्यपि, दोनों ही अनुपयोगी हो जाएंगे, स्पष्ट सिमुलेंट के निर्माण पर ग्रहण लग जाएगा: पहले येट्रियम एल्यूमीनियम गार्नेट (YAG) द्वारा और उसके तुरंत बाद गैडोलीनियम गैलियम गार्नेट (GGG) द्वारा; और अंतत: हीरे जैसी समानता और लागत-प्रभावशीलता की स्थिति में (आज तक) अंतिम अनुकरणकर्ता, घनाकार गोमेदातु आदि

अनाधुनिक होने के अतिरिक्त, स्ट्रोंटियम टाइटेनेट अभी भी निर्मित होता है और समय-समय पर आभूषणों में इसका उपयोग किया जाता है। इस प्रकार से यह हीरे के सबसे बहु मूल्य सिमुलेंट्स में से एक है, और इसकी दुर्लभता के कारण संग्राहक बड़े अर्थात 2 कैरेट (इकाई) (400 मिलीग्राम) प्रतिदर्शों के लिए अधिमूल्य का भुगतान कर सकते हैं। हीरे के सिमुलेंट के रूप में, स्ट्रोंटियम टाइटेनेट सबसे अधिक भ्रामक होता है जब इसे मेली अर्थात <0.20 कैरेट (40 मिलीग्राम) पत्थरों के साथ मिलाया जाता है और जब इसे मिश्रित या द्विक पत्थर के लिए आधार पदार्थ के रूप में उपयोग किया जाता है (उदाहरण के लिए, पत्थर के मुकुट या शीर्ष के रूप में सिंथेटिक कोरन्डम)। माइक्रोस्कोप के अंतर्गत, जेमोलॉजी हीरे से स्ट्रोंटियम टाइटेनेट को उसकी मृदुता से अलग करती है - सतह के घर्षण से प्रकट होती है - और अतिरिक्त प्रकीर्णन (प्रशिक्षित आंख तक), और कभी-कभी गैस के बुलबुले जो संश्लेषण के अवशेष होते हैं। युग्म का पता कमरबंद (पत्थर की किनारा) पर जोड़ रेखा और बंधन के बिंदु पर पत्थर के भीतर दिखाई देने वाले चपटे वायु के बुलबुले या गोंद से लगाया जा सकता है।

रेडियोधर्मी समस्थानिक तापविद्युत् जनित्र में उपयोग
अतः इसके उच्च गलनांक और जल में अघुलनशील होने के कारण, स्ट्रोंटियम टाइटेनेट का उपयोग यूएस सेंटिनल और सोवियत बीटा-एम श्रृंखला जैसे रेडियोधर्मी समस्थानिक तापविद्युत् जनित्र (आरटीजी) में स्ट्रोंटियम-90 युक्त पदार्थ के रूप में किया गया है। चूँकि स्ट्रोंटियम-90 में उच्च विखंडन उत्पाद की उपज होती है और इसे व्यय किए गए परमाणु ईंधन से सरलता से निकाला जाता है, सिद्धांत रूप में एसआर-90 आधारित आरटीजी का उत्पादन प्लूटोनियम-238 या अन्य रेडियोन्यूक्लाइड पर आधारित उन लोगों की तुलना में अल्प मानित किया जा सकता है जिन्हें समर्पित सुविधाओं में उत्पादित किया जाना है। यद्यपि, कम विद्युत घनत्व (~0.45W) के कारणऊष्मीय प्रति ग्राम स्ट्रोंटियम-90-टाइटेनेट) और अर्धजीवन, अंतरिक्ष आधारित अनुप्रयोग, जो कम भार, उच्च विश्वसनीयता और दीर्घायु पर विशेष अधिमूल्य लगाते हैं, प्लूटोनियम-238 को चयनित करते हैं। इस प्रकार से इस बीच विलग स्रोतों पर चिंता और सौर पैनलों, छोटे पवन टर्बाइनों, रासायनिक बैटरी भंडारण और अन्य ऑफ-ग्रिड विद्युत हलों की घटती कीमत और बढ़ती उपलब्धता के कारण आरटीजी के स्थलीय ऑफ-ग्रिड अनुप्रयोगों को बड़े पैमाने पर चरणबद्ध विधि से समाप्त कर दिया गया है।

ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं में उपयोग
अतः स्ट्रोंटियम टाइटेनेट की मिश्रित चालकता ने ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं (एसओएफसी) में उपयोग के लिए ध्यान आकर्षित किया है। यह इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक दोनों चालकता प्रदर्शित करता है जो एसओएफसी इलेक्ट्रोड के लिए उपयोगी है क्योंकि पदार्थ में गैस और ऑक्सीजन आयनों और सेल के दोनों ओर इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान होता है।


 * (एनोड)
 * (कैथोड)

ईंधन सेल के विभिन्न पक्षों पर उपयोग के लिए स्ट्रोंटियम टाइटेनेट को विभिन्न पदार्थों के साथ मिलाया जाता है। ईंधन पक्ष (एनोड) पर, जहां पहली अभिक्रिया होती है, इसे प्रायः लैंथेनम के साथ मिलाकर लैंथेनम-डॉप्ड स्ट्रोंटियम टाइटेनेट (एलएसटी) बनाया जाता है। इस स्थिति में, ए-साइट, या यूनिट सेल में स्थिति जहां स्ट्रोंटियम सामान्यतः बैठता है, कभी-कभी लैंथेनम से भर जाता है, इससे पदार्थ इलेक्ट्रॉनिक चालकता सहित एन-प्रकार अर्धचालक गुणों को प्रदर्शित करने का कारण बनती है। यह ऑक्सीजन रिक्तियों के लिए पेरोवियन संरचना सहिष्णुता के कारण ऑक्सीजन आयन चालन को भी दर्शाता है। इस प्रकार से इस पदार्थ में सामान्य इलेक्ट्रोलाइट येट्रिया-स्थिर ज़िरकोनिया (YSZ) के समान तापीय प्रसार होता है, ईंधन सेल इलेक्ट्रोड पर होने वाली अभिक्रियाओं के समय रासायनिक स्थिरता होती है, और SOFC ऑपरेटिंग परिस्थितियों में 360 S/cm तक की इलेक्ट्रॉनिक चालकता होती है। इन एलएसटी का अन्य प्रमुख लाभ यह है कि यह सल्फर विषाक्तता के प्रति प्रतिरोध दर्शाता है, जो वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले निकल-सिरेमिक (विधि से सर्मेट) एनोड के साथ समस्या है।

अतः इस प्रकार से एक अन्य संबंधित यौगिक स्ट्रोंटियम टाइटेनियम फेराइट (एसटीएफ) है जिसका उपयोग एसओएफसी में कैथोड (ऑक्सीजन-साइड) पदार्थ के रूप में किया जाता है। यह पदार्थ मिश्रित संवाहक को भी दिखाती है जो महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि कैथोड पर होने वाली कमी अभिक्रिया व्यापक क्षेत्र में हो सकती है। बी-साइट पर कोबाल्ट (टाइटेनियम की जगह) के साथ-साथ लोहे को जोड़कर इस पदार्थ का निर्माण करते हुए, हमारे निकट पदार्थ एसटीएफसी, या कोबाल्ट-प्रतिस्थापित एसटीफ़सी है, जो कैथोड पदार्थ के रूप में उल्लेखनीय स्थिरता के साथ-साथ अन्य सामान्य की तुलना में कम ध्रुवीकरण प्रतिरोध दिखाती है। कैथोड पदार्थ जैसे लैंथेनम स्ट्रोंटियम कोबाल्ट फेराइट। इन कैथोडों में दुर्लभ-पृथ्वी तत्व नहीं होने का भी लाभ है जो उन्हें कई विकल्पों की तुलना में अल्प मानित बनाता है।

यह भी देखें

 * कैल्शियम कॉपर टाइटेनेट

बाहरी संबंध

 * An electron micrograph of strontium titanate, as artwork entitled "Strontium" at the DeYoung Museum in San Francisco