बिस्मथ फेराइट

बिस्मथ फेराइट (BiFeO3, जिसे सामान्यतः सामग्री विज्ञान में BFO के रूप में भी जाना जाता है) पेरोसाइट संरचना वाला एक अकार्बनिक रासायनिक यौगिक होता है और सबसे आशाजनक मल्टीफ़ाइरोइक सामग्रियों में से एक होता है। BiFeO3 के कमरे के तापमान के चरण को समूह R3c में वर्गीकृत किया गया है। इसे बल्क और पतली फिल्म के रूप में संश्लेषित किया जाता है और इसके एंटीफेरोमैग्नेटिक (जी टाइप ऑर्डरिंग) नील तापमान (लगभग 653 K) और फेरोइलेक्ट्रिक क्यूरी तापमान दोनों कमरे के तापमान (लगभग 1100K) से अधिक ऊपर होता है।  फेरोइलेक्ट्रिक ध्रुवीकरण स्यूडोक्यूबिक दिशा के साथ होता है ($$\langle 111\rangle_c$$) 90–95 μC/cm2 के परिमाण के साथ होता है। ।

प्रतिरूप तैयार करना
बिस्मथ फेराइट स्वाभाविक रूप से होने वाला खनिज नही होता है और यौगिक प्राप्त करने के लिए कई संश्लेषण मार्ग विकसित किए गए है।

ठोस अवस्था संश्लेषण
ठोस अवस्था प्रतिक्रिया विधि में बिस्मथ ऑक्साइड (B2O3) और आयरन ऑक्साइड (Fe2O3) 1:1 (यूनिट) अनुपात में एक मोर्टार या बॉल मिलिंग के साथ मिलाया जाता है और फिर ऊंचे तापमान पर निकाल दिया जाता है। शुद्ध रससमीकरणमितीय BiFeO3 की तैयारी के दौरान बिस्मथ की अस्थिरता (रसायन विज्ञान) के कारण चुनौतीपूर्ण होते है जो स्थिर माध्यमिक बीआई के गठन की ओर जाता है Bi25FeO39 (सेलेनाइट (खनिज)) और Bi2Fe4O9 (मुलाइट) की अवस्था मे उपयोग किया जाता है। सामान्यतः 800 से 880 सेल्सियस के तापमान 5 से 60 मिनट के लिए तेजी से ठंडा होने के साथ उपयोग किया जाता है। Bi2O3 बिस्मथ अस्थिरता की भरपाई करने और बीआई के गठन से बचने के लिए भी एक उपाय का उपयोग किया जाता है Bi2Fe4O9 की अवस्था मे उपयोग किया जाता है।

एकल क्रिस्टल विकास
बिस्मथ फेराइट असंगत रूप से पिघलता है, लेकिन इसे बिस्मथ ऑक्साइड समृद्ध प्रवाह से उगाया जा सकता है (उदाहरण के लिए द्वि का 4:1:1 मिश्रण Bi2O3, Fe2O3 and B2O3 लगभग 750-800 सेल्सियस पर) होता है। बिस्मुथ फेराइट के फेरोइलेक्ट्रिक, एंटीफेरोमैग्नेटिज्म और मैग्नेटोइलेक्ट्रिक प्रभाव गुणों का अध्ययन करने के लिए उच्च गुणवत्ता वाले एकल क्रिस्टल महत्वपूर्ण होते है।

रासायनिक मार्ग
रसायन विज्ञान पर आधारित गीले रासायनिक संश्लेषण मार्ग, संशोधित पेचीनी मार्ग, हाइड्रोथर्मल संश्लेषण चरण शुद्ध BiFeO3 तैयार करने के लिए संश्लेषण और वर्षा का उपयोग किया जाता है। रासायनिक मार्गों का लाभ अग्रदूतों की संरचनागत एकरूपता है और बहुत कम तापमान की आवश्यकता के कारण बिस्मथ का कम नुकसान होता है। कार्बनिक अवशेषों को हटाने और बिस्मथ फेराइट पेरोसाइट चरण के क्रिस्टलीकरण को बढ़ावा देने के लिए एक अनाकार अग्रदूत को 300-600 सेल्सियस पर कैलक्लाइंड किया जाता है, जबकि नुकसान यह होता है कि घने पॉलीक्रिस्टल बनाने के लिए परिणामी पाउडर को उच्च तापमान पर सिंटरिंग किया जाता है।

समाधान प्रतिक्रिया एक कम लागत वाली विधि होती है जिसका उपयोग BiFeO3 को संश्लेषित करने के लिए किया जाता है। इस विधि में, रिडक्शन-ऑक्सीकरण (रेडऑक्स) प्रतिक्रिया उत्पन्न करने के लिए एक कम करने वाले एजेंट (जैसे ग्लाइसिन, साइट्रिक एसिड, यूरिया, आदि) और एक ऑक्सीकरण एजेंट (नाइट्रेट आयन, नाइट्रिक एसिड, आदि) का उपयोग किया जाता है। लौ की उपस्थिति, और फलस्वरूप मिश्रण का तापमान, उपयोग किए गए ऑक्सीकरण / कम करने वाले एजेंटों के अनुपात पर निर्भर करता है। मध्यवर्ती के रूप में उत्पन्न बिस्मथ ऑक्सो-नाइट्रेट को विघटित करने के लिए कभी-कभी 600 डिग्री सेल्सियस तक की आवश्यकता होती है। चूंकि इस अर्धचालक सामग्री में Fe धनायन की सामग्री, स्पेक्ट्रोस्कोपी चरण में अनुचुंबकत्व घटक की उपस्थिति का पता लगाने के लिए एक उचित तकनीक होती है।

पतली फिल्म
2003 में बिस्मथ फेराइट की उच्च गुणवत्ता वाली epitaxial पतली फिल्मों के विद्युत और चुंबकीय गुण रिपोर्ट किए गए बिस्मथ फेराइट के लिए वैज्ञानिक रुचि को पुनर्जीवित किया। एपिटैक्सियल पतली फिल्मों का बड़ा फायदा है कि उनके गुणों को प्रसंस्करण द्वारा ट्यून किया जा सकता है या रासायनिक डोपिंग, और यह कि उन्हें इलेक्ट्रॉनिक सर्किटरी में एकीकृत किया जा सकता है। बिस्मथ फेराइट की तुलना में अलग-अलग जाली स्थिरांक के साथ एकल क्रिस्टलीय सब्सट्रेट (रसायन विज्ञान) द्वारा प्रेरित एपिटैक्सियल स्ट्रेन (रसायन विज्ञान) का उपयोग क्रिस्टल संरचना को monoclinic  या  चौकोर  समरूपता में बदलने और फेरोइलेक्ट्रिक,  piezoelectric  या चुंबकीय गुणों को बदलने के लिए किया जा सकता है। स्पंदित लेजर जमाव (PLD) एपिटैक्सियल BiFeO लिए एक बहुत ही सामान्य मार्ग है3 फिल्म्स, और SrTiO3 SrRuO साथ सबस्ट्रेट्स3 इलेक्ट्रोड सामान्यतः उपयोग किए जाते है। स्पटरिंग, आणविक-बीम एपिटॉक्सी (एमबीई), धातु कार्बनिक रासायनिक वाष्प जमाव (MOCVD), परमाणु परत जमाव (ALD), और रासायनिक घोल जमाव एपिटैक्सियल बिस्मथ फेराइट पतली फिल्म तैयार करने के अन्य तरीके है। इसके चुंबकीय और विद्युत गुणों के अलावा बिस्मुथ फेराइट में फोटोवोल्टिक गुण भी होते है जिन्हें फेरोइलेक्ट्रिक फोटोवोल्टिक (एफपीवी) प्रभाव के रूप में जाना जाता है।

अनुप्रयोग
एक कमरे के तापमान की बहुलौहिक सामग्री होने के नाते और इसके फेरोइलेक्ट्रिक फोटोवोल्टिक (FPV) प्रभाव के कारण, बिस्मथ फेराइट में चुंबकत्व, spintronics, फोटोवोल्टिक आदि के क्षेत्र में कई अनुप्रयोग है।

फोटोवोल्टिक्स
एफपीवी प्रभाव में, रोशनी के तहत फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री में एक फोटोक्रेक्ट उत्पन्न होता है और इसकी दिशा उस सामग्री के फेरोइलेक्ट्रिक ध्रुवीकरण पर निर्भर होती है। FPV प्रभाव में पारंपरिक फोटोवोल्टिक उपकरणों के विकल्प के रूप में एक आशाजनक क्षमता है। लेकिन मुख्य बाधा यह है कि लिथियम नाइओबेट | LiNbO जैसी फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों में बहुत कम photocurrent उत्पन्न होता है3, जो इसके बड़े बैंडगैप और कम कंडक्टिविटी के कारण है। इस दिशा में बिस्मुथ फेराइट ने एक बड़े फोटोकरंट प्रभाव और बैंडगैप वोल्टेज के ऊपर एक बड़ी क्षमता दिखाई है इस सामग्री में रोशनी के तहत मनाया जाता है। फोटोवोल्टिक सामग्री के रूप में बिस्मथ फेराइट का उपयोग करने वाले अधिकांश कार्यों को इसकी पतली फिल्म के रूप में रिपोर्ट किया गया है, लेकिन कुछ रिपोर्टों में शोधकर्ताओं ने पॉलिमर, ग्राफीन और अन्य अर्धचालकों जैसी अन्य सामग्रियों के साथ एक बाइलेयर संरचना का गठन किया है। एक रिपोर्ट में दो ऑक्साइड आधारित वाहक परिवहन परतों के साथ बिस्मथ फेराइट नैनोकणों  के साथ पिन heterojunction का गठन किया गया है। इस तरह के प्रयासों के बावजूद बिस्मथ फेराइट से प्राप्त शक्ति रूपांतरण दक्षता अभी भी बहुत कम है।

संदर्भ
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.05.106