تھرموڈینامکس، یووی ٹرانسمیشن اور ساخت پر سلیکا میں ہائیڈروکسیل گروپس کے اثرات
فیوزڈ سلیکا، اپنی بہترین آپٹیکل ٹرانسمیٹینس، انتہائی کم تھرمل ایکسپینشن گتانک، اور شاندار تابکاری مزاحمت کے ساتھ، سیمی کنڈکٹر لیتھوگرافی، انرشیل کنفینمنٹ فیوژن، ہائی-پاور لیزر سسٹمز، اور ایرو اسپیس جیسے شعبوں میں ایک ناقابل تلافی کلیدی مواد بن گیا ہے۔
اعلی-پاکیزہ سلیکا پیوریفیکیشن ٹیکنالوجیز میں ترقی کے ساتھ 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 بڑھتا ہی جا رہا ہے۔ مثال کے طور پر، لتھوگرافی کے لیے فیوزڈ سلیکا سے بنے آپٹیکل پرزوں کو نہ صرف گہرے بالائے بنفشی علاقے میں اعلی ترسیل کی ضرورت ہوتی ہے بلکہ اعلی-توانائی کے الٹرا وایلیٹ بیم کے طویل مدتی نمائش کے تحت بہترین آپٹیکل، تھرمل اور مکینیکل استحکام کو بھی برقرار رکھنا چاہیے۔
فیوزڈ سلیکا کی میکروسکوپک خصوصیات اس کے مائکروسکوپک ٹاپولوجیکل ڈھانچے اور ناپاکی کے نقائص سے گہرا تعلق رکھتی ہیں۔ ان میں سے، ہائیڈروکسیل گروپ فیوزڈ سلکا کی تیاری کے دوران ہر جگہ اور ناگزیر خارجی نقائص ہیں۔ اگرچہ ایلومینیم جیسی دیگر نجاستوں کے ساتھ ڈوپنگ بھی نمایاں طور پر اعلی-درجہ حرارت کی چپکنے والی اور فیوزڈ سلیکا کی اخترتی مزاحمت کو متاثر کرتی ہے، لیکن ہائیڈروکسیل گروپس کا اثر خاص طور پر پیچیدہ ہے۔ اراکی وغیرہ کے مطالعہ۔ یہاں تک کہ فیوزڈ سیلیکا سطحوں 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)، فیوزڈ سلیکا میں ہائیڈروکسیل مواد 1 پی پی ایم سے نیچے سے 1000 پی پی ایم سے اوپر تک ہوسکتا ہے۔ ایک ناگزیر غیر ملکی ناپاکی کے طور پر، ہائیڈروکسیل گروپ فیوزڈ سلکا میں ایک پیچیدہ کردار ادا کرتے ہیں۔
نظری کارکردگی کے لحاظ سے، ہائیڈروکسیل گروپ پیرا میگنیٹک نقائص جیسے کہ آکسیجن-کی کمی کے مراکز (ODCs) اور E' مراکز کی مرمت کر سکتے ہیں، جس سے ویکیوم الٹرا وائلٹ ریجن میں مواد کی ترسیل کو نمایاں طور پر بہتر بنایا جا سکتا ہے۔ دوسری طرف، تھرموڈینامک اور مکینیکل خصوصیات کے لحاظ سے، ہائی-ہائیڈروکسیل فیوزڈ سلیکا ہائیڈروکسیل گروپس کو ہائیڈرولیسس ری ایکشنز (≡Si–O–Si≡ + H₉-O → fa2–O) کے دوران ہائیڈرولیسس ری ایکشن کے ذریعے مسلسل سلکان-آکسیجن ٹیٹراہیڈرل فریم ورک کو توڑ کر متعارف کراتی ہے۔ نیٹ ورک ٹاپولوجیکل پولیمرائزیشن میں کمی۔ یہ بانڈ-توڑنے کا اثر شیشے کی چپکنے والی اور شیشے کی منتقلی کے درجہ حرارت کو نمایاں طور پر کم کرتا ہے۔Tg; اس دوران، ہائیڈروکسیل گروپس کی موجودگی مواد کے لچکدار ماڈیولس اور فریکچر کی طاقت کو کمزور کر دیتی ہے۔ اگرچہ موجودہ لٹریچر نے علیحدہ طور پر ہائیڈروکسیل گروپس کے نظری یا مکینیکل اثرات کی چھان بین کی ہے، لیکن اس بارے میں منظم تجرباتی ثبوت کہ کس طرح ہائیڈروکسیل کا ارتکاز میکروسکوپک تھرموڈینامک خصوصیات کو متاثر کرتا ہے اور فیوزڈ سیلیکا کی آپٹیکل ٹرانسمیشن خصوصیات کی کمی ہے۔
اس مقالے میں، دو نمائندہ کمرشل ہائی-پیوریٹی مصنوعی فیوزڈ سلیکا گریڈ، JGS1 اور JGS3، کو تحقیقی اشیاء کے طور پر منتخب کیا گیا تھا۔ ڈیفرینشل اسکیننگ کیلوری میٹری، لچکدار ماڈیولس ٹیسٹنگ، رامان سپیکٹروسکوپی، اور ویکیوم الٹرا وائلٹ اسپیکٹروسکوپی کا استعمال کرتے ہوئے، فیوزڈ سلیکا کی ساخت، تھرمل، مکینیکل اور آپٹیکل خصوصیات پر ہائیڈروکسیل گروپس کے اثرات کا منظم طریقے سے مطالعہ کیا گیا۔ اس کا مقصد فیوزڈ سلیکا کی مختلف خصوصیات پر ہائیڈروکسیل گروپس کے اثر و رسوخ کے اصولوں کو واضح کرنا ہے، اس طرح مختلف کام کے حالات میں اعلی کارکردگی والے فیوزڈ سلیکا کے مواد کے انتخاب اور عمل کو بہتر بنانے کے لیے ایک سائنسی بنیاد فراہم کرنا ہے۔
1. تھرمل تجزیہ
شکل 1 مخصوص حرارت کی صلاحیت کے منحنی خطوط کو ظاہر کرتا ہے (Cp) مختلف ہائیڈروکسیل مواد کے ساتھ فیوزڈ سلکا کے لیے درجہ حرارت کے مقابلے۔ ایکسٹرا پولیٹڈ آن سیٹ طریقہ کا استعمال کرتے ہوئے، یعنی، منتقلی سے پہلے توسیع شدہ بیس لائن کے انٹرسیکشن کو لے کر اور منتقلی کے علاقے میں زیادہ سے زیادہ ڈھلوان کے ٹینجنٹ کو لے کر،TJGS1 کی g کی پیمائش 1329 K تھی، جو JGS3 سے 64 K کم ہے (Tg=1393 K)۔ اس رجحان کی بنیادی وجہ یہ ہے کہ، سخت Si–O–Si فریم ورک کے مقابلے میں، متعارف کرایا گیا Si–OH ڈھانچہ فیوزڈ سلیکا کے ٹاپولوجیکل نیٹ ورک کے تسلسل میں خلل ڈالتا ہے۔
ایک طرف، ایک ناپاک گروپ کے طور پر، ہائیڈروکسیل گروپس سلیکون-آکسیجن ٹیٹراہیڈرا کے رابطے کو توڑ دیتے ہیں، جس سے نیٹ ورک کی ٹاپولوجیکل پولیمرائزیشن اور واسکاسیٹی میں کمی واقع ہوتی ہے، اس طرحTجی دوسری طرف، برجنگ آکسیجن بانڈز کے مقابلے میں، Si–OH گروپس میں O–H بانڈز کمزور بانڈنگ قوتیں رکھتے ہیں اور مخصوص موڑنے اور گردشی کمپن موڈز کی نمائش کرتے ہیں۔ یہ اضافی کمپن موڈ ہیٹنگ کے دوران زیادہ گرمی جذب کرتے ہیں اور براہ راست اس میں اضافے میں حصہ ڈالتے ہیں۔Cص مختصراً، ہائیڈروکسیل گروپس کا تعارف شیشے کے سخت نیٹ ورک کو ڈھیلا کر دیتا ہے، جو میکروسکوپی طور پر کم تھرمل استحکام اور کم ہونے کے طور پر ظاہر ہوتا ہے۔Tg.
2. درجہ حرارت-انحصار لچکدار ماڈیولس
شکل 2 مختلف ہائیڈروکسیل مواد کے ساتھ فیوزڈ سلکا کے لیے لچکدار ماڈیولس بمقابلہ درجہ حرارت (300–1300 K) کے منحنی خطوط کو ظاہر کرتا ہے۔ ٹیسٹ کے نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ دونوں نمونے پورے ناپے گئے درجہ حرارت کی حد میں ایک واضح غیر معمولی مثبت درجہ حرارت کے گتانک اثر کو ظاہر کرتے ہیں۔ بڑھتے ہوئے درجہ حرارت کے ساتھ بڑھتی ہوئی سختی کی یہ خصوصیت ٹیٹراہیڈرل نیٹ ورک فیوزڈ سلیکا 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–O–Si کے بانڈ کے زاویوں کو تبدیل کرتی ہے، جس سے شیشے کے فریم حجم کو کم کر کے نیٹ ورک کا حجم کم ہو جاتا ہے۔ میکروسکوپی طور پر لچکدار ماڈیولس میں اضافہ ہوتا ہے۔
خاص طور پر، اگرچہ اوپری ٹیسٹ کا درجہ حرارت (1300 K) نمونوں کے ذیلی-Tg خطے کے اندر رہتا ہے، جو بنیادی طور پر viscoelastic بہاؤ کے بجائے ٹھوس-ریاست لچکدار ردعمل کی عکاسی کرتا ہے، JGS1 کا ینگ ماڈیولس JGS3 کے مقابلے میں مسلسل کم ہے اور 300x K کے درمیان ہائیڈرو بریک کے درمیان JGS1 کا ماڈیولس کم ہے۔ سلکان-ہائیڈرولیسس کے ذریعے آکسیجن فریم ورک (≡Si–O–Si≡ + H₂O → 2≡Si–OH)، جو نیٹ ورک کی سختی کو کم کرتا ہے اور اس طرح میکروسکوپک لچکدار ماڈیولس میں کمی کا باعث بنتا ہے۔ نچلے کے ساتھ مل کرTG (1329 K) کی JGS1 کی پیمائش DSC کے ذریعے کی گئی ہے، اس کا اندازہ لگایا جا سکتا ہے کہ ہائیڈروکسیل گروپس کا تعارف، فیوزڈ سلیکا میں درجہ حرارت کے ساتھ لچکدار ماڈیولس میں اضافے کے رجحان کو تبدیل نہ کرتے ہوئے، شیشے کے ٹاپولوجیکل نیٹ ورک کی سختی اور اعلی-درجہ حرارت تھرمل استحکام کو کمزور کرتا ہے۔
3. ساختی خصوصیات
شکل 3 مختلف ہائیڈروکسیل مواد کے ساتھ فیوزڈ سلکا کے رامان سپیکٹرا کا موازنہ کرتا ہے۔ 400–1200 cm⁻¹ خطہ میں، دونوں نمونے خصوصیت والے بینڈ کی نمائش کرتے ہیں جو عام طور پر بے ساختہ فیوزڈ سلیکا کے ہوتے ہیں۔ ادب کے مطابق، 440 cm⁻¹ کے قریب کا 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 کی موڑنے والی کمپن (ω₃) اور غیر متناسب اسٹریچنگ وائبریشن (ω₄) سے منسوب ہیں۔
قابل ذکر اختلافات بنیادی طور پر دو پہلوؤں میں ظاہر ہوتے ہیں۔ سب سے پہلے، JGS1 3675 cm⁻¹ پر ایک تیز مضبوط چوٹی دکھاتا ہے، جو الگ تھلگ سیلانول گروپس (Si-OH) میں O–H بانڈز کے کھینچنے والے کمپن سے مطابقت رکھتا ہے، جو اس نمونے میں کیمیائی طور پر بندھے ہوئے ہائیڈروکسیل گروپوں کی اعلیٰ ارتکاز کی براہ راست موجودگی کی تصدیق کرتا ہے۔ دوسرا، 594 سینٹی میٹر⁻¹ کے قریب کم-فریکوئنسی والے علاقے میں، JGS1 کی خصوصیت کی چوٹی (D₂ چوٹی) کی شدت JGS3 کے مقابلے میں نمایاں طور پر کم ہے۔ اس بینڈ کو تین-ممبرڈ سائلوکسین رنگ ڈھانچے کے کمپن کے لیے تفویض کیا گیا ہے۔ D₂ چوٹی کی کم ہوئی شدت اس بات کی نشاندہی کرتی ہے کہ ہائیڈروکسیل گروپس کا تعارف ترجیحی طور پر ان تینوں{10}}ممبرڈ سائلوکسین رنگ ڈھانچے کو توڑ دیتا ہے، شیشے کے نیٹ ورک کو آرام دیتا ہے اور نیٹ ورک کے اندر مقامی تناؤ کو مؤثر طریقے سے جاری کرتا ہے۔
شکل 4 مختلف ہائیڈروکسیل مواد کے ساتھ فیوزڈ سلکا کے ویکیوم الٹرا وائلٹ ٹرانسمیشن سپیکٹرا کو پیش کرتا ہے۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ JGS3 163 nm (7.6 eV) پر ایک الگ 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-ماحول کے تحت بنایا 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 جذب کنارہ نیلا ہے-7 nm (172 nm سے 165 nm تک) منتقل ہوا، اور 160–180 nm رینج میں کوئی واضح جذب بینڈ نہیں دیکھا گیا۔ ترسیل میں یہ بہتری بنیادی طور پر شیشے کے نیٹ ورک ٹوپولوجی اور نقائص پر ہائیڈروکسیل گروپس کے مرمتی اثر سے منسوب ہے۔ سب سے پہلے، رمن سپیکٹرا نے تصدیق کی کہ JGS1 میں تین میمبرڈ انگوٹھی 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، تیاری کے دوران، JGS1 Si–OH بنا کر نیٹ ورک میں آکسیجن-کی کمی کی خرابیوں یا لٹکتے ہوئے بانڈ آپٹیکل جذب مراکز کی مرمت کر سکتا ہے، اس طرح ویکیوم الٹرا وائلٹ ریجن میں فیوزڈ سلیکا کی روشنی جذب کو کم کر سکتا ہے اور جذب شدہ کٹ آف کٹ آف بلیو شفٹ کا باعث بنتا ہے۔
اہم نتائج
فیوزڈ سیلیکا کی تھرمل استحکام کو کم کیا گیا۔: ناپاTJGS1 کا g 1329 K ہے، JGS3 (1393 K) سے 64 K کم؛ اس کے علاوہ،Cٹیسٹ درجہ حرارت کی حد کے اندر JGS1 کا p مسلسل JGS3 سے زیادہ ہے۔ یہ JGS1 فیبریکیشن کے دوران Si–O–Si فریم ورک کو توڑ کر ہائیڈروکسل گروپس کے تعارف سے منسوب ہے، ساتھ ہی Si–OH گروپس کے ذریعے متعارف کرائے گئے اضافی کمپن موڈز۔
غیر معمولی درجہ حرارت-منحصر ماڈیولس سلوک: اگرچہ دونوں فیوزڈ سلیکا گریڈ غیر معمولی ماڈیولس میں اضافہ ظاہر کرتے ہیں (dE/dT> 0) 300 K اور 1300 K کے درمیان، JGS1 کا لچکدار ماڈیولس اس حد میں JGS3 کے مقابلے میں مسلسل کم ہے۔ یہ اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ ہائیڈروکسیل کا تعارف نیٹ ورک کے ٹاپولوجیکل ڈھانچے کی سختی کو کم کرتا ہے لیکن فیوزڈ سلکا میں درجہ حرارت کے ساتھ لچکدار ماڈیولس میں اضافے کے رویے کو تبدیل نہیں کرتا ہے۔
ساختی اور نظری خصوصیات: رامن سپیکٹرا ظاہر کرتا ہے کہ JGS1 کے D₂ ڈیفیکٹ بینڈ (594 cm⁻¹) کی شدت نمایاں طور پر کم ہو گئی ہے، اور ویکیوم الٹرا وائلٹ سپیکٹرا سے پتہ چلتا ہے کہ JGS1 کا کٹ آف کنارہ نیلا ہے الٹرا وایلیٹ جذب بینڈ 163 nm پر۔ اس سے ظاہر ہوتا ہے کہ ہائیڈروکسیل گروپس کا تعارف Si–O–Si بانڈز کے تناسب کو کم کرتا ہے اور نیٹ ورک میں آکسیجن کی کمی{10}}کی مرمت کرتا ہے، اس طرح ویکیوم الٹرا وایلیٹ ریجن میں فیوزڈ سلکا کی روشنی جذب کو کم کرتا ہے۔
