सॉलिड-स्टेट केमिस्ट्री

ठोस-अवस्था रसायन, जिसे कभी-कभी सामग्री रसायन शास्त्र भी कहा जाता है, ठोस चरण सामग्री के संश्लेषण, संरचना और गुणों का अध्ययन है। इसलिए इसमें ठोस-अवस्था भौतिकी, खनिज विज्ञान,स्फटिक रूप-विधा, चीनी मिट्टी की चीज़ें(मिट्टी के पात्र), धातु विज्ञान, ऊष्मप्रवैगिकी, सामग्री विज्ञान और इलेक्ट्रानिक्स के साथ नवीन सामग्री के संश्लेषण और उनके लक्षण वर्णन पर ध्यान देने के साथ एक मजबूत अतिव्यापन है। कृत्रिम तकनीकों की एक विविध श्रेणी, जैसे कि सिरेमिक विधि(चीनी मिट्टी की विधि) और रासायनिक वाष्प निक्षेपण, ठोस-अवस्था सामग्री बनाते हैं। ठोसों को उनके घटक कणों की व्यवस्था में मौजूद क्रम की प्रकृति के आधार पर स्फटिकीय या अनाकार के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। उनकी तात्विक रचनाओं, सूक्ष्म संरचनाओं और भौतिक गुणों को विभिन्न प्रकार की विश्लेषणात्मक विधियों के माध्यम से चित्रित किया जा सकता है।

इतिहास
वाणिज्य के उत्पादों के लिए इसकी प्रत्यक्ष प्रासंगिकता के कारण, ठोस अवस्था अकार्बनिक रसायन प्रौद्योगिकी द्वारा दृढ़ता से संचालित किया गया है। क्षेत्र में प्रगति प्राय: उद्योग की माँगों से प्रेरित होती है, कभी-कभी शिक्षाविदों के सहयोग से। 20वीं शताब्दी में खोजे गए अनुप्रयोगों में 1950 के दशक में पेट्रोलियम प्रसंस्करण के लिए ज़ीइलाइट और प्लैटिनम -आधारित उत्प्रेरक, 1960 के दशक में सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के मुख्य घटक के रूप में उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन और 1980 के दशक में "उच्च तापमान" अतिचालकता सम्मलित हैं।1900 की शुरुआत में विलियम लॉरेंस ब्रैग द्वारा एक्स - रे स्फटिक रूप-विधा का आविष्कार एक सक्षम नवाचार था। ठोस अवस्था में परमाणु स्तर पर अभिक्रियाएं कैसे आगे बढ़ती हैं, इसकी हमारी समझ ऑक्सीकरण दर सिद्धांत, आयनों के प्रति प्रसार और दोष रसायन पर कार्ल वैगनर के काम से काफी उन्नत थी। उनके योगदान के कारण, उन्हें कभी-कभी ठोस अवस्था रसायन विज्ञान का जनक कहा जाता है।

कृत्रिम तरीके
ठोस अवस्था वाले यौगिकों की विविधता को देखते हुए, उनकी तैयारी के लिए समान रूप से विविध प्रकार की विधियों का उपयोग किया जाता है। संश्लेषण उच्च तापमान विधियों से लेकर हो सकता है, जैसे कि सिरेमिक विधि, गैस विधियाँ, जैसे रासायनिक वाष्प निक्षेपण। प्रायः विधियाँ दोष निर्माण को रोकती हैं या उच्च शुद्धता वाले उत्पादों का उत्पादन करती हैं।

 उच्च तापमान के तरीके 

सिरेमिक विधि (चीनी मिट्टी की विधि)

सिरेमिक विधि(चीनी मिट्टी की विधि) सबसे आम संश्लेषण तकनीकों में से एक है। संश्लेषण पूरी तरह से ठोस अवस्था में होता है। अभिकारकों को एक साथ पीसा जाता है,एक गोली के रूप में बनाया जाता है, और एक चूल्हा में उच्च तापमान पर गर्म किया जाता है। उच्च तापमान पर पूर्ववर्तियों की अभिक्रिया के बाद, दोषों को रोकने और एक सुव्यवस्थित स्फटिक बनाने के लिए चूल्हा के तापमान को धीरे-धीरे कम किया जाना चाहिए।

ओखल और मूसल या बॉल मिल(गेंद की चक्की) का उपयोग करके, अभिकारकों को एक साथ पीसा जाता है, जो आकार को कम करता है और अभिकारकों के सतह क्षेत्र को बढ़ाता है। यदि मिश्रण पर्याप्त नहीं है, तो हम सह-अवक्षेपण और सोल-जेल जैसी तकनीकों का उपयोग कर सकते हैं। एक रसायनज्ञ जमीनी अभिकारकों से छर्रों का निर्माण करता है और छर्रों को गर्म करने के लिए कंटेनर(डिब्बा) में रखता है। कंटेनर(डिब्बा) का चुनाव पूर्ववर्ती, अभिक्रिया तापमान और अपेक्षित उत्पाद पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, धातु ऑक्साइड समान्यता सिलिका या एल्युमिना कंटेनर(डिब्बा) में संश्लेषित होते हैं। एक ट्यूब(नली) भट्टी गोली को गर्म करती है। ट्यूब(नली) भट्टियां अधिकतम 2800oC तापमान तक उपलब्ध हैं।

चूल्हा तकनीक
ऊष्मीय रूप से मजबूत सामग्री के लिए, उच्च तापमान विधियों को प्राय: नियोजित किया जाता है। उदाहरण के लिए, ट्यूब(नली) भट्टियों का उपयोग करके बल्क ठोस तैयार किए जाते हैं, जो सीए तक अभिक्रियाओं को संचालित करने की अनुमति देते हैं। 1100 डिग्री सेल्सियस, जबकि तापमान सीए तक। 2000 डिग्री सेल्सियस के लिए टैंटलम जूल हीटिंग तत्वों वाली विशेष भट्टियों के उपयोग की आवश्यकता होती है। ऐसे उच्च तापमान कभी-कभी अभिकारकों के प्रसार को प्रेरित करने के लिए आवश्यक होते हैं।

पिघलाने के तरीके(विधियाँ)
कांच के सिरेमिक(चीनी मिट्टी) को संश्लेषित करने के मामले में, कृत्रिम तकनीक में एक साथ पिघलना और फिर ठोस पिघलना सम्मलित है। एनीलिंग तापमान कांच के भीतर स्फटिकीय संरचनाओं के निर्माण की अनुमति देता है। अस्थिर अभिकारकों का उपयोग करते समय, अभिकारकों को एक शीशी में रखा जाता है जिसे तरल नाइट्रोजन में रखा जाता है। एक चूल्हा सीलबंद शीशियों को गरम करता है। यह असामान्य अनाज वृद्धि (AGG) पैदा करता है, जो उत्पादित ठोस के लिए वांछित हो भी सकता है और नहीं भी।

 कम तापमान के तरीके(विधियाँ) 

अंतर्संबंध विधि

एक ठोस की परतों के बीच अणुओं या आयनों का सम्मिलन अंतर्संबंध संश्लेषण है। स्तरित ठोस में कमजोर अंतः आणविक बंधन होते हैं जो इसकी परतों को एक साथ रखते हैं। यह प्रक्रिया विसरण द्वारा होती है। आयन विनिमय, अम्ल-क्षार अभिक्रिया या विद्युत रसायन अभिक्रिया द्वारा अंतर्संबंध को आगे बढ़ाया जाता है। चीनी मिट्टी के बरतन की खोज के साथ सबसे पहले चीन में अंतर्संबंध विधि का उपयोग किया गया था। साथ ही, अंतर्संबंध विधि द्वारा ग्राफीन का उत्पादन किया जाता है, और यह विधि लिथियम-आयन बैटरी के पीछे का सिद्धांत है।

घोल के तरीके(विधियाँ)
वर्षा या वाष्पीकरण द्वारा ठोस पदार्थ तैयार करने के लिए विलायकों का उपयोग करना संभव है। कभी-कभी विलायक का उपयोग जलतापीय के रूप में किया जाता है जो सामान्य क्वथनांक से अधिक तापमान पर दबाव में होता है। इस विषय पर भिन्नता प्रवाह विधियों का उपयोग है, जहां उच्च तापमान विलायक के रूप में कार्य करने के लिए मिश्रण में अपेक्षाकृत कम पिघलने बिंदु का नमक जोड़ा जाता है जिसमें वांछित अभिक्रिया हो सकती है। यह बहुत उपयोगी हो सकता है|

गैस विधियाँ
कई ठोस अभिक्रियाशील गैस प्रजातियों जैसे क्लोरीन, आयोडीन, ऑक्सीजन आदि के साथ तीव्र अभिक्रिया करते हैं। अन्य ठोस पदार्थ व्यसनों का निर्माण करते हैं, जैसे CO या एथिलीन। ऐसी अभिक्रियाएँ खुले सिरों वाली नलियों में संचालित की जाती हैं, जिनमें से होकर गैसों को प्रवाहित किया जाता है। साथ ही, ये अभिक्रियाएँ एक मापने वाले उपकरण जैसे TGA के अंदर हो सकती हैं। उस कारक में अभिक्रिया के दौरान रससमीकरणमितीय जानकारी प्राप्त की जा सकती है, जो उत्पादों की पहचान करने में मदद करती है।

 रासायनिक वाष्प परिवहन 

रासायनिक वाष्प परिवहन का परिणाम बहुत शुद्ध सामग्री में होता है। अभिक्रिया समान्यता एक सीलबंद शीशी में होती है। एक परिवहन अभिकर्ता, सीलबंद शीशी में जोड़ा जाता है, ठोस अभिकारक से एक वाष्पशील मध्यवर्ती प्रजाति का उत्पादन करता है। धातु ऑक्साइड के लिए, परिवहन अभिकर्ता समान्यता Cl2 या HCl होता है। शीशी में एक तापमान प्रवणता होती है, और, चूंकि गैसीय अभिकारक ढाल के साथ यात्रा करता है, यह अंततः एक स्फटिक के रूप में जमा हो जाता है। मण्ड प्रक्रिया औद्योगिक रूप से प्रयुक्त रासायनिक वाष्प परिवहन अभिक्रिया का एक उदाहरण है। मण्ड प्रक्रिया में अशुद्ध निकेल को कार्बन मोनोऑक्साइड की धारा में गर्म करके शुद्ध निकेल बनाया जाता है।

 रासायनिक वाष्प निक्षेपण 

रासायनिक वाष्प निक्षेपण एक ऐसी विधि है जिसका व्यापक रूप से आण्विक पूर्ववर्तियों से कोटिंग्स(लेप) और अर्धचालक तैयार करने के लिए उपयोग किया जाता है। एक वाहक गैस कोटिंग(लेप) के लिए सामग्री के लिए गैसीय पूर्ववर्तियों को स्थानांतरित करती है।

लक्षण वर्णन
यह वह प्रक्रिया है जिसमें विभिन्न प्रकार की विश्लेषणात्मक तकनीकों का उपयोग करके सामग्री की रासायनिक संरचना, संरचना और भौतिक गुण निर्धारित किए जाते हैं।

नए चरण
कृत्रिम पद्धति और लक्षण वर्णन प्राय: इस अर्थ में साथ-साथ चलते हैं कि एक नहीं बल्कि अभिक्रिया मिश्रण की एक श्रृंखला तैयार की जाती है और उष्णता उपचार के अधीन होती है। रससमीकरणमिति, अभिकारक और उत्पाद की मात्रा के बीच एक संख्यात्मक संबंध, समान्यता एक व्यवस्थित तरीके से भिन्न होती है| यह पता लगाना महत्वपूर्ण है कि कौन से रससमीकरणमिति नए ठोस यौगिकों या ज्ञात लोगों के बीच ठोस घोल का नेतृत्व करेंगे। अभिक्रिया उत्पादों को चिह्नित करने के लिए एक प्रमुख विधि चूर्ण(पाउडर) विवर्तन है, क्योंकि कई ठोस अवस्था अभिक्रियाएं बहुस्फटिकीय सिल्लियां या चूर्ण का उत्पादन करती हैं। चूर्ण विवर्तन मिश्रण में ज्ञात चरणों की पहचान की सुविधा प्रदान करता है। यदि कोई प्रतिरूप पाया जाता है जो विवर्तन डेटा पुस्तकालयों में ज्ञात नहीं है, तो प्रतिरूप को अनुक्रमित करने का प्रयास किया जा सकता है, स्फटिकीय संरचनाओं वाले उत्पाद के लिए सामग्री के गुणों का लक्षण वर्णन समान्यता आसान होता है। (यदि उत्पाद स्फटिकीय नहीं है तो लक्षण वर्णन समान्यता अधिक कठिन होता है।)

 रचनाएं और संरचनाएं 

एक बार जब एक नए चरण की इकाई कोशिका ज्ञात हो जाती है, तो अगला चरण चरण के रससमीकरणमिति को स्थापित करना होता है। यह कई तरीकों से किया जा सकता है। कभी-कभी मूल मिश्रण की संरचना एक संकेत देती है, परिस्थितियों में कि केवल एक एकल चूर्ण(पाउडर) प्रतिरूप वाला एक उत्पाद पाया जाता है या एक निश्चित संरचना का एक चरण ज्ञात सामग्री के अनुरूप होता है, लेकिन यह दुर्लभ है|

प्राय:, नई सामग्री का शुद्ध नमूना प्राप्त करने के लिए कृत्रिम पद्धति को परिष्कृत करने में काफी प्रयास की आवश्यकता होती है। यदि उत्पाद को बाकी अभिक्रिया मिश्रण से अलग करना संभव है, तो मौलिक विश्लेषण विधियों जैसे स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (SEM) और संचरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (TEM) का उपयोग किया जा सकता है। नमूने की सतह से बिखरे और प्रेषित इलेक्ट्रॉनों का पता लगाने से सतह की स्थलाकृति और सामग्री की संरचना के बारे में जानकारी मिलती है| ऊर्जा फैलाव एक्स-रे स्पेक्ट्रमिकी (EDX) एक तकनीक है जो इलेक्ट्रॉन किरण उत्तेजना का उपयोग करती है। घटना इलेक्ट्रॉनों के साथ एक परमाणु के आंतरिक खोल को उत्तेजित करने से प्रत्येक तत्व को विशिष्ट ऊर्जा के साथ विशिष्ट एक्स-रे का उत्सर्जन होता है। शिखर ऊर्जा वितरण और एकाग्रता सहित एक नमूने की रासायनिक संरचना की पहचान कर सकती है

EDX के समान, एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण (XRD) में नमूना के साथ बातचीत पर विशेष एक्स-रे की पीढ़ी सम्मलित है। विभिन्न कोणों पर बिखरी विवर्तित किरणों की तीव्रता का उपयोग सामग्री के भौतिक गुणों जैसे चरण रचना और स्फटिकोग्राफिक संरचना का विश्लेषण करने के लिए किया जाता है। बेहतर प्रभाव प्राप्त करने के लिए इन तकनीकों को युग्मित भी किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, SEM अपने केंद्रित इलेक्ट्रॉन किरण के कारण EDX का एक उपयोगी पूरक है, यह एक उच्च-आवर्धन छवि का उत्पादन करता है जो सतह स्थलाकृति पर जानकारी प्रदान करता है। एक बार रुचि के क्षेत्र की पहचान हो जाने के बाद, EDX का उपयोग उस विशिष्ट स्थान में मौजूद तत्वों को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। चयनित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन को TEM या SEM के साथ जोड़ा जा सकता है ताकि स्फटिकता के स्तर और नमूने के जाली पैरामीटर की जांच की जा सके।

 अधिक जानकारी 

एक्स-रे विवर्तन का उपयोग इसकी छवि क्षमताओं और डेटा निर्माण की गति के कारण भी किया जाता है। उत्तरार्द्ध को प्राय: प्रारंभिक प्रक्रियाओं को फिर से देखने और परिष्कृत करने की आवश्यकता होती है और यह इस सवाल से जुड़ा होता है कि कौन से चरण किस रचना और किस रससमीकरणमिति पर स्थिर हैं। दूसरे शब्दों में, चरण आरेख कैसा दिखता है। इसे स्थापित करने में एक महत्वपूर्ण उपकरण DSC या DTA (खास तरह की स्कैनिंग उष्मामिति या विभेदक थर्मल विश्लेषण) जैसी थर्मल विश्लेषण तकनीकें हैं और तेजी से सिंक्रोटॉन के आगमन के कारण, तापमान पर निर्भर चूर्ण(पाउडर) विवर्तन के आगमन के कारण भी तेजी से बढ़ रही हैं। चरण संबंधों का बढ़ा हुआ ज्ञान प्राय: पुनरावृत्त तरीके से कृत्रिम प्रक्रियाओं में और अधिक शोधन होता है। इस प्रकार नए चरणों को उनके गलनांक और उनके रससमीकरणमितीय डोमेन द्वारा चित्रित किया जाता है। उत्तरार्द्ध कई ठोस पदार्थों के लिए महत्वपूर्ण है जो गैर-रससमीकरणमितीय यौगिक हैं। XRD से प्राप्त प्रकोष्ठ मापदंडों बाद की एकरूपता श्रेणियों को चिह्नित करने में विशेष रूप से सहायक होते हैं।

स्थानीय संरचना
स्फटिक की बड़ी संरचनाओं के विपरीत, स्थानीय संरचना निकटतम पड़ोसी परमाणुओं के परस्पर क्रिया का वर्णन करती है। परमाणु स्पेक्ट्रमिकी के तरीके नाभिक के चारों ओर विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों की जांच के लिए विशिष्ट परमाणु नाभिक का उपयोग करते हैं। उदा. विद्युत क्षेत्र ढाल जाली विस्तार/संपीड़न (तापीय या दबाव), चरण परिवर्तन, या स्थानीय दोषों के कारण होने वाले छोटे परिवर्तनों के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं। मोसबाउर स्पेक्ट्रमिकी और विक्षुब्ध कोणीय सहसंबंध सामान्य तरीके हैं।

प्रकाशीय गुण
धातु सामग्री के लिए, उनके प्रकाशीय गुण प्रवाहकीय इलेक्ट्रॉनों के सामूहिक उत्तेजना से उत्पन्न होते हैं I विद्युत चुम्बकीय विकिरण के तहत इलेक्ट्रॉनों के सुसंगत दोलनों के साथ-साथ विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के संबद्ध दोलनों को सतह समतल अनुनाद कहा जाता है। उत्तेजना तरंग दैर्ध्य और प्लास्मोन प्रतिध्वनि की आवृत्ति कण के आकार, आकार, संरचना और स्थानीय प्रकाशीय वातावरण के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं।

गैर-धातु सामग्री या अर्धचालकों के लिए, उन्हें उनके बंध संरचना द्वारा चित्रित किया जा सकता है। इसमें एक बंध अंतराल होता है जो संयोजी बंध के शीर्ष और चालन बंध के नीचे के बीच न्यूनतम ऊर्जा अंतर का प्रतिनिधित्व करता है। अर्धचालक के प्रकाश रासायनिक गुणों की भविष्यवाणी करने के लिए बंध अंतराल को पराबैंगनी-दृश्यमान स्पेक्ट्रमिकी का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है।

आगे का लक्षण वर्णन
कई कारको में, नए ठोस यौगिकों को आगे विभिन्न तकनीकों द्वारा चित्रित किया जाता है जो ठोस-अवस्था रसायन विज्ञान को ठोस-अवस्था भौतिकी से अलग करने वाली महीन रेखा को फैलाते हैं। अतिरिक्त जानकारी के लिए भौतिक विज्ञान में लक्षण वर्णन (सामग्री विज्ञान) देखें।

बाहरी संबंध

 * , Sadoway, Donald. 3.091SC; Introduction to Solid State Chemistry, Fall 2010. (Massachusetts Institute of Technology: MIT OpenCourseWare)
 * , Sadoway, Donald. 3.091SC; Introduction to Solid State Chemistry, Fall 2010. (Massachusetts Institute of Technology: MIT OpenCourseWare)