تھرموڈینامکس، یووی ٹرانسمیٹینس اور ساخت پر کوارٹز میں ہائیڈروکسیل گروپس کے اثرات

کوارٹز گلاس سیمی کنڈکٹر لیتھوگرافی، انرشل کنفیونمنٹ فیوژن، ہائی-پاور لیزر سسٹمز، ایرو اسپیس اور دیگر شعبوں میں اپنی بہترین روشنی کی ترسیل، انتہائی کم تھرمل ایکسپینشن گتانک اور شاندار تابکاری مزاحمت کی وجہ سے ایک ناقابل تبدیلی کلیدی مواد بن گیا ہے۔

اعلی-پیوریٹی کوارٹج پیوریفیکیشن ٹیکنالوجیز کی ترقی اور پروسیسنگ کے جدید طریقوں جیسے کہ کم-درجہ حرارت کی 3D پرنٹنگ اور فیمٹوسیکنڈ لیزر ویلڈنگ کے ظہور کے ساتھ، اس کے اطلاق کا دائرہ مسلسل بڑھتا جا رہا ہے۔ مثال کے طور پر، لیتھوگرافی کے لیے کوارٹج گلاس آپٹیکل اجزاء کو نہ صرف گہرے الٹرا وائلٹ بینڈ میں اعلی ترسیل کی ضرورت ہوتی ہے، بلکہ اعلی-انرجی الٹرا وائلٹ بیم شعاع ریزی میں طویل مدتی سروس کے تحت بہترین آپٹیکل، تھرمل اور مکینیکل استحکام کو بھی برقرار رکھنا چاہیے۔

کوارٹج گلاس کی میکروسکوپک خصوصیات اس کے مائکروسکوپک ٹاپولوجیکل ڈھانچے اور ناپاکی کے نقائص سے گہرا تعلق رکھتی ہیں۔ ان میں سے، کوارٹج شیشے کی تیاری کے دوران ہائیڈروکسیل گروپ ہر جگہ اور ناگزیر خارجی نقائص ہیں۔ اگرچہ ایلومینیم جیسی دیگر نجاستوں کے ساتھ ڈوپنگ بھی کوارٹج شیشے کی اعلی-درجہ حرارت کی چپکنے والی اور اخترتی مزاحمت کو نمایاں طور پر متاثر کرتی ہے، لیکن ہائیڈروکسیل گروپس کا اثر خاص طور پر پیچیدہ ہے۔ اراکی وغیرہ کے مطالعہ۔ یہاں تک کہ کوارٹج شیشے کی سطح پر نانوسکل پانی کی بوندوں کے خوردبینی رویے کا انکشاف ہوا، جس سے سطح کی ہائیڈروکسیل خصوصیات کی تفہیم کو مزید تقویت ملی۔ تیاری کے عمل پر منحصر ہے (مثال کے طور پر، شعلہ ہائیڈرولیسس یا برقی پگھلنے)، کوارٹج گلاس میں ہائیڈروکسیل مواد 1 پی پی ایم سے نیچے سے 1000 پی پی ایم سے اوپر تک ہوسکتا ہے۔ ایک ناگزیر غیر ملکی نجاست کے طور پر، ہائیڈروکسیل گروپس کوارٹج گلاس میں ایک پیچیدہ کردار ادا کرتے ہیں۔

آپٹیکل خصوصیات کے لحاظ سے، ہائیڈروکسیل گروپ پیرا میگنیٹک نقائص جیسے آکسیجن ڈیفیسنٹ سینٹرز (ODCs) اور E' سینٹرز کی مرمت کر سکتے ہیں، جس سے مواد کے ویکیوم الٹرا وائلٹ ٹرانسمیٹینس میں نمایاں بہتری آتی ہے۔ دوسری طرف، تھرموڈینامک اور مکینیکل خصوصیات کے لحاظ سے، ہائی-ہائیڈروکسیل کوارٹج گلاس ہائیڈرولیسس ری ایکشنز (≡Si-O-Si₡O→ کے ذریعے مسلسل سلکان-آکسیجن ٹیٹراہیڈرون فریم ورک کو توڑ کر ہائیڈروکسیل گروپس متعارف کرواتا ہے۔ 2≡Si-OH) تیاری کے دوران، جس کے نتیجے میں نیٹ ورک ٹاپولوجیکل پولیمرائزیشن کم ہو جاتی ہے۔ یہ بانڈ-توڑنے کا اثر شیشے کی چپکنے والی اور شیشے کی منتقلی کا درجہ حرارت Tg کو نمایاں طور پر کم کرتا ہے۔ اس دوران، ہائیڈروکسیل گروپس کی موجودگی مواد کے لچکدار ماڈیولس اور فریکچر کی طاقت کو کمزور کر دیتی ہے۔ اگرچہ موجودہ لٹریچر نے آزادانہ طور پر ہائیڈروکسیل گروپس کے نظری یا مکینیکل اثرات کی بڑے پیمانے پر چھان بین کی ہے، لیکن منظم تجرباتی شواہد ابھی تک اس بارے میں فقدان ہیں کہ کس طرح ہائیڈروکسیل کا ارتکاز میکروسکوپک تھرموڈینامک خصوصیات اور کوارٹج شیشے کی روشنی کی ترسیل کی خصوصیات کو متاثر کرتا ہے۔

اس مقالے میں، دو نمائندہ کمرشل ہائی-پیوریٹی مصنوعی کوارٹج شیشے، JGS1 اور JGS3، کو تحقیقی اشیاء کے طور پر منتخب کیا گیا تھا۔ کوارٹج شیشے کی ساخت، تھرمل، مکینیکل اور آپٹیکل خصوصیات پر ہائیڈروکسیل گروپس کے اثرات کو ڈیفرینشل اسکیننگ کیلوری میٹری، لچکدار ماڈیولس ٹیسٹنگ، رامان سپیکٹروسکوپی اور ویکیوم الٹرا وائلٹ سپیکٹروسکوپی کا استعمال کرتے ہوئے منظم طریقے سے مطالعہ کیا گیا۔ اس کا مقصد کوارٹج شیشے کی مختلف خصوصیات پر ہائیڈروکسیل گروپس کے اثر و رسوخ کے اصولوں کو واضح کرنا ہے، تاکہ مختلف کام کے حالات میں اعلی کارکردگی والے کوارٹج گلاس کے مواد کے انتخاب اور عمل کو بہتر بنانے کے لیے سائنسی بنیاد فراہم کی جا سکے۔

1. تھرمل تجزیہ

شکل 1 مختلف ہائیڈروکسیل مواد کے ساتھ کوارٹج شیشوں کے درجہ حرارت کے کام کے طور پر Cp کے منحنی خطوط کو ظاہر کرتا ہے۔ ایکسٹرا پولیٹڈ آن سیٹ طریقہ کا استعمال کرتے ہوئے، یعنی، منتقلی سے پہلے توسیع شدہ بیس لائن کے چوراہے اور اتپریورتن کے علاقے میں زیادہ سے زیادہ ڈھلوان کے ٹینجنٹ کو لے کر، JGS1 کا Tg 1329 K ناپا گیا، جو JGS3 (Tg=1393 K) سے 64 K کم ہے۔ اس رجحان کی بنیادی وجہ یہ ہے کہ سخت Si-O-Si فریم ورک کے مقابلے میں، متعارف کرایا گیا Si-OH ڈھانچہ کوارٹج گلاس کے ٹاپولوجیکل نیٹ ورک کے تسلسل کو تباہ کر دیتا ہے۔

ایک طرف، ایک ناپاک گروپ کے طور پر، ہائیڈروکسیل گروپس سلکان-آکسیجن ٹیٹراہیڈرا کے کنکشن کو توڑتے ہیں، جس سے نیٹ ورک کی ٹاپولوجیکل پولیمرائزیشن اور واسکاسیٹی کم ہوتی ہے، اس طرح Tg میں کمی واقع ہوتی ہے۔ دوسری طرف، برجنگ آکسیجن بانڈز کے مقابلے میں، Si-OH گروپ میں O-H بانڈ کمزور پابند قوت رکھتا ہے اور مخصوص موڑنے اور گردشی کمپن موڈز کو ظاہر کرتا ہے۔ یہ اضافی کمپن موڈز ہیٹنگ کے دوران زیادہ گرمی جذب کرتے ہیں اور سی پی میں اضافے میں براہ راست حصہ ڈالتے ہیں۔ مختصراً، ہائیڈروکسیل گروپس کا تعارف سخت شیشے کے نیٹ ورک کو ڈھیلا کر دیتا ہے، جو میکروسکوپی طور پر کم تھرمل استحکام اور کم Tg کے طور پر ظاہر ہوتا ہے۔

2. درجہ حرارت-انحصار لچکدار ماڈیولس

شکل 2 مختلف ہائیڈروکسیل مواد کے ساتھ کوارٹج شیشوں کے لیے درجہ حرارت (300~1300 K) کے کام کے طور پر لچکدار ماڈیولس کے منحنی خطوط کو ظاہر کرتا ہے۔ ٹیسٹ کے نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ دونوں نمونے پورے ٹیسٹ درجہ حرارت کی حد میں ایک غیر معمولی مثبت درجہ حرارت کے گتانک اثر کو ظاہر کرتے ہیں۔ بڑھتے ہوئے درجہ حرارت کے ساتھ بڑھتے ہوئے سختی کی یہ خصوصیت ٹیٹراہیڈرل نیٹ ورک کوارٹج گلاس کی مخصوص ہے، اور اس کا طریقہ کار بنیادی طور پر شیشے کے نیٹ ورک کے ڈھانچے کے ارتقاء سے منسوب ہے: بڑھتے ہوئے درجہ حرارت کے ساتھ، آکسیجن ایٹموں کو پلنے کی تھرمل حرکت Si{5}}O کے بانڈ زاویہ میں تبدیلیوں کا سبب بنتی ہے، شیشے کے تمام حجم میں کمی واقع ہوتی ہے، ڈھانچہ گھنا ہو جاتا ہے، جو میکروسکوپی طور پر لچکدار ماڈیولس میں اضافے کے طور پر ظاہر ہوتا ہے۔

خاص طور پر، اگرچہ اوپری ٹیسٹ کا درجہ حرارت (1300 K) اب بھی نمونوں کے ذیلی{-Tg خطے میں ہے، جو بنیادی طور پر مواد کے viscoelastic بہاؤ کے بجائے ٹھوس-ریاست لچکدار ردعمل کی عکاسی کرتا ہے، JGS1 کا ینگ ماڈیولس JGS3 کے ہائیڈرو ~30 کے گروپوں سے مسلسل کم ہے۔ ہائیڈولیسس (≡Si-O-Si≡ + H₂O → 2≡Si-OH) کے ذریعے سلکان-آکسیجن فریم ورک کو توڑنے کے ذریعے متعارف کرایا گیا، جو نیٹ ورک کی سختی کو کم کرتا ہے اور اس طرح میکروسکوسپک ایلوسٹک میں کمی کا باعث بنتا ہے۔ DSC کے ذریعہ ماپے گئے JGS1 کے نچلے Tg (1329 K) کے ساتھ مل کر، یہ اندازہ لگایا جا سکتا ہے کہ ہائیڈروکسیل گروپس کا تعارف کوارٹج گلاس میں درجہ حرارت کے ساتھ لچکدار ماڈیولس میں اضافے کے رجحان کو تبدیل نہیں کرتا ہے، لیکن شیشے کے ٹاپولوجیکل نیٹ ورک ڈھانچے کی سختی اور اعلی-درجہ حرارت کے تھرمل استحکام کو کمزور کرتا ہے۔

3. ساختی خصوصیات

شکل 3 کوارٹج شیشوں کے رامان سپیکٹرا کا مختلف ہائیڈروکسیل مواد کے ساتھ موازنہ کرتا ہے۔ 400~1200 cm⁻¹ کے علاقے میں، دونوں نمونے بے ترتیب کوارٹج شیشے کے مخصوص بینڈ دکھاتے ہیں۔ لٹریچر کے مطابق، 440 cm⁻¹ کے قریب بینڈ Si-O-Si برجنگ آکسیجن بانڈز کے ہم آہنگ اسٹریچنگ وائبریشن (ω₁) سے مطابقت رکھتا ہے، جو شیشے کے ٹاپولوجیکل نیٹ ورک میں غالب چھ-ممبرڈ انگوٹی کی ساخت کی عکاسی کرتا ہے۔ 800 اور 1060 cm⁻¹ کے قریب بینڈز بالترتیب Si-O-Si کے موڑنے والی کمپن (ω₃) اور غیر متناسب اسٹریچنگ وائبریشن (ω₄) سے منسوب ہیں۔

قابل ذکر اختلافات بنیادی طور پر دو پہلوؤں سے ظاہر ہوتے ہیں۔ سب سے پہلے، JGS1 3675 cm⁻¹ پر ایک تیز اور مضبوط چوٹی دکھاتا ہے، جو الگ تھلگ سائلانول گروپس (Si-OH) میں O-H بانڈ کے کھینچنے والے کمپن کے مساوی ہے، جو اس نمونے کے ہائیڈروکسیل گروپس میں کیمیائی طور پر بندھے ہوئے گروپوں میں اعلی ارتکاز کی موجودگی کی براہ راست تصدیق کرتا ہے۔ دوسرا، 594 cm⁻¹ کے قریب کم تعدد والے خطے میں، JGS1 کی خصوصیت کی چوٹی (D₂ چوٹی) کی شدت JGS3 کے مقابلے میں نمایاں طور پر کم ہے۔ اس بینڈ کو تین میمبرڈ سائلوکسین رنگ ڈھانچے کے کمپن کے لیے تفویض کیا گیا ہے۔ D₂ چوٹی کی شدت میں کمی اس بات کی نشاندہی کرتی ہے کہ ہائیڈروکسیل گروپس کا تعارف ترجیحی طور پر ان تینوں-ممبرڈ سائلوکسین رنگ ڈھانچے کو توڑ دیتا ہے، جس سے شیشے کے نیٹ ورک کا ڈھانچہ زیادہ آرام دہ ہوتا ہے اور نیٹ ورک کے اندر مقامی تناؤ کو مؤثر طریقے سے آزاد کرتا ہے۔

شکل 4 مختلف ہائیڈروکسیل مواد کے ساتھ کوارٹج شیشوں کے ویکیوم الٹرا وائلٹ ٹرانسمیٹینس سپیکٹرا کو پیش کرتا ہے۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ JGS3 163 nm (7.6 eV) پر ایک واضح جذب بینڈ کی نمائش کرتا ہے، جو قسم I آکسیجن کی کمی کے مراکز (ODC-I) کے مطابق ہے۔ اس سے ظاہر ہوتا ہے کہ JGS3 کو آکسیجن کی کمی والے ماحول میں تیار کیا گیا تھا اور ان لٹکتے ہوئے بانڈز یا خرابی کے مراکز کو غیر فعال کرنے کے لیے کافی ہائیڈروکسیل گروپس کی کمی تھی۔ اس کے برعکس، JGS1 کا کٹ آف کنارہ نیلا ہے-7 nm (172 nm سے 165 nm تک) منتقل ہوا ہے، اور 160 ~ 180 nm کی حد میں کوئی واضح جذب بینڈ نہیں دیکھا گیا ہے۔ ترسیل میں یہ بہتری بنیادی طور پر شیشے کے نیٹ ورک کے ٹاپولوجیکل ڈھانچے اور نقائص پر ہائیڈروکسیل گروپس کے مرمتی اثر سے منسوب ہے۔ سب سے پہلے، رامن سپیکٹروسکوپی نے اس بات کی تصدیق کی ہے کہ JGS1 میں تین-ممبرڈ انگوٹی کا ڈھانچہ کم ہو گیا ہے (نچلی D₂ چوٹی)، یہ بتاتا ہے کہ ہائیڈروکسیل گروپس کا تعارف Si-O-Si بانڈز کے تناسب کو کم کرتا ہے۔ دوسرا، JGS1 تیاری کے دوران Si-OH بنا کر نیٹ ورک میں آکسیجن-کی کمی کی خرابیوں یا لٹکتے ہوئے بانڈ کی روشنی جذب کرنے والے مراکز کی مرمت کر سکتا ہے، اس طرح ویکیوم الٹرا وائلٹ بینڈ میں کوارٹج شیشے کی روشنی جذب کو کم کر سکتا ہے اور بلیو شفٹ یا کٹ آف شفٹ کا باعث بنتا ہے۔

اہم نتائج

کوارٹج شیشے کے تھرمل استحکام میں کمی: JGS1 کی پیمائش شدہ Tg 1329 K ہے، JGS3 (1393 K) سے 64 K کم؛ اور ٹیسٹ درجہ حرارت کی حد میں JGS1 کا Cp مسلسل JGS3 سے زیادہ ہے۔ یہ JGS1 کی تیاری کے دوران Si-O-Si کے فریم ورک کو توڑ کر ہائیڈروکسیل گروپس کے تعارف اور Si-OH گروپس کے ذریعہ اضافی کمپن موڈز کے تعارف سے منسوب ہے۔

غیر معمولی درجہ حرارت-منحصر ماڈیولس سلوک: اگرچہ دونوں کوارٹج شیشے 300~1300 K کی حد میں ماڈیولس (dE/dT > 0) میں غیر معمولی اضافہ کو ظاہر کرتے ہیں، JGS1 کا لچکدار ماڈیولس مسلسل JGS3 سے کم ہے۔ اس سے ظاہر ہوتا ہے کہ ہائیڈروکسیل گروپس کا تعارف نیٹ ورک کے ٹاپولوجیکل ڈھانچے کی سختی کو کم کرتا ہے لیکن کوارٹج گلاس میں درجہ حرارت کے ساتھ لچکدار ماڈیولس میں اضافے کے رویے کو تبدیل نہیں کرتا ہے۔

ساخت اور نظری خصوصیات: رامن سپیکٹروسکوپی سے پتہ چلتا ہے کہ JGS1 کے D₂ ڈیفیکٹ بینڈ (594 cm⁻¹) کی شدت نمایاں طور پر کم ہو گئی ہے، اور ویکیوم الٹرا وائلٹ اسپیکٹروسکوپی سے پتہ چلتا ہے کہ JGS1 کا کٹ آف کنارہ نیلا ہے-7 nm سے بدل گیا ہے 163 nm پر الٹرا وایلیٹ جذب بینڈ کو ختم کرنا۔ یہ دکھایا گیا ہے کہ ہائیڈروکسیل گروپس کا تعارف Si-O-Si بانڈز کے تناسب کو کم کرتا ہے اور نیٹ ورک میں آکسیجن کی کمی-کی مرمت کرتا ہے، اس طرح ویکیوم الٹرا وائلٹ بینڈ میں کوارٹج گلاس کی روشنی جذب کو کم کرتا ہے۔