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IGNOU MPHE-025 Solved Question Paper PDF
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IGNOU MPHE-025 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
Q1. (a) पदार्थों को उनके बैंड संरचना के आधार पर वर्गीकृत करें। प्रत्येक का एक अनुप्रयोग बताएं। (b) जब एक शुद्ध धातु में मिश्रधातु तत्व मिलाया जाता है तो बनने वाले ठोस विलयन और यौगिक संरचना के बीच उदाहरण सहित अंतर स्पष्ट करें।
Ans.
(a) बैंड संरचना के आधार पर पदार्थों का वर्गीकरण: ठोस पदार्थों में, परमाणुओं के परस्पर क्रिया के कारण अलग-अलग ऊर्जा स्तर विस्तृत होकर ऊर्जा बैंड बनाते हैं। संयोजकता बैंड (Valence Band – VB) और चालन बैंड (Conduction Band – CB) के बीच ऊर्जा अंतराल (Energy Gap – E g ) के आधार पर, पदार्थों को तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है:
1. चालक (Conductors):
- बैंड संरचना: चालकों में, संयोजकता बैंड और चालन बैंड एक दूसरे पर अतिव्यापित (overlapped) होते हैं, या चालन बैंड आंशिक रूप से भरा होता है। इसके परिणामस्वरूप, दोनों बैंडों के बीच कोई ऊर्जा अंतराल (E g ≈ 0) नहीं होता है।
- कार्यप्रणाली: इलेक्ट्रॉनों को संयोजकता बैंड से चालन बैंड में जाने के लिए बहुत कम या कोई ऊर्जा की आवश्यकता नहीं होती है। मामूली विद्युत क्षेत्र लगाने पर भी, इलेक्ट्रॉन आसानी से गति कर सकते हैं, जिससे उच्च विद्युत चालकता होती है।
- उदाहरण: तांबा (Cu), एल्यूमीनियम (Al), चांदी (Ag)।
- अनुप्रयोग: तांबे का उपयोग बिजली के तारों और केबलों में किया जाता है।
2. अर्धचालक (Semiconductors):
- बैंड संरचना: अर्धचालकों में, संयोजकता बैंड और चालन बैंड के बीच एक छोटा ऊर्जा अंतराल (E g ≈ 0.2 से 3 eV) होता है। संयोजकता बैंड लगभग भरा होता है और चालन बैंड लगभग खाली होता है।
- कार्यप्रणाली: परम शून्य तापमान पर, वे एक इन्सुलेटर की तरह व्यवहार करते हैं। कमरे के तापमान पर, तापीय ऊर्जा कुछ इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा अंतराल को पार करके चालन बैंड में जाने के लिए पर्याप्त होती है, जिससे वे थोड़ी मात्रा में बिजली का संचालन कर सकते हैं। इनकी चालकता को डोपिंग द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है।
- उदाहरण: सिलिकॉन (Si), जर्मेनियम (Ge), गैलियम आर्सेनाइड (GaAs)।
- अनुप्रयोग: सिलिकॉन का उपयोग ट्रांजिस्टर, डायोड और एकीकृत सर्किट (ICs) बनाने में किया जाता है।
3. कुचालक (Insulators):
- बैंड संरचना: कुचालकों में, संयोजकता बैंड और चालन बैंड के बीच एक बहुत बड़ा ऊर्जा अंतराल (E g > 3 eV) होता है। संयोजकता बैंड पूरी तरह से भरा होता है और चालन बैंड पूरी तरह से खाली होता है।
- कार्यप्रणाली: बड़े ऊर्जा अंतराल के कारण, सामान्य परिस्थितियों में इलेक्ट्रॉन संयोजकता बैंड से चालन बैंड में नहीं जा सकते हैं। इसलिए, वे बिजली का संचालन नहीं करते हैं।
- उदाहरण: हीरा (Diamond), क्वार्ट्ज (SiO₂), कांच (Glass)।
- अनुप्रयोग: कांच का उपयोग विद्युत इंसुलेटर के रूप में किया जाता है।
(b) ठोस विलयन और यौगिक संरचना में अंतर:
जब एक शुद्ध धातु (विलायक) में कोई अन्य तत्व (विलेय) मिलाया जाता है, तो दो मुख्य प्रकार की संरचनाएं बन सकती हैं: ठोस विलयन और यौगिक।
ठोस विलयन (Solid Solution):
- परिभाषा: एक ठोस विलयन में, विलेय के परमाणु विलायक के क्रिस्टल जालक (crystal lattice) में अव्यवस्थित रूप से वितरित हो जाते हैं, जबकि विलायक की मूल क्रिस्टल संरचना बनी रहती है। यह एक एकल-चरण (single-phase) मिश्रधातु है।
- प्रकार:
- प्रतिस्थापनीय ठोस विलयन (Substitutional Solid Solution): विलेय के परमाणु विलायक के परमाणुओं को उनके जालक स्थलों से प्रतिस्थापित करते हैं। यह तब होता है जब दोनों तत्वों के परमाणुओं का आकार, क्रिस्टल संरचना और वैद्युतीयऋणात्मकता समान होती है। उदाहरण: तांबा-निकल (Cu-Ni) मिश्रधातु ।
- अंतराकाशी ठोस विलयन (Interstitial Solid Solution): विलेय के परमाणु (जो विलायक परमाणुओं से बहुत छोटे होते हैं) विलायक के जालक में अंतराकाशी स्थलों (interstitial sites) पर बैठ जाते हैं। उदाहरण: स्टील में लोहे (Fe) में कार्बन (C) ।
यौगिक संरचना (Compound Structure) / अंतराधातुक यौगिक (Intermetallic Compound):
- परिभाषा: एक यौगिक संरचना में, मिश्रधातु तत्व एक निश्चित स्तुति अनुपात (fixed stoichiometric ratio) में रासायनिक रूप से संयोजित होकर एक नया चरण (new phase) बनाते हैं। इस नए चरण की अपनी विशिष्ट क्रिस्टल संरचना और गुण होते हैं जो मूल घटकों से भिन्न होते हैं।
- विशेषताएं:
- इनका एक निश्चित रासायनिक सूत्र होता है, जैसे Mg₂Pb, CuAl₂।
- ये अक्सर बहुत कठोर और भंगुर (brittle) होते हैं।
- इनमें बंधन धात्विक, आयनिक या सहसंयोजक प्रकृति का हो सकता है।
- उदाहरण: सीसा-मैग्नीशियम प्रणाली में Mg₂Pb यौगिक बनता है।
मुख्य अंतर:
गुणधर्म
ठोस विलयन
यौगिक संरचना
क्रिस्टल संरचना
विलायक की क्रिस्टल संरचना बनी रहती है।
एक नई और भिन्न क्रिस्टल संरचना बनती है।
संरचना
संरचना की एक विस्तृत श्रृंखला संभव है।
निश्चित स्तुति अनुपात में बनता है।
गुण
गुण धीरे-धीरे संरचना के साथ बदलते हैं।
गुण मूल घटकों से बहुत भिन्न होते हैं।
Q2. (a) ग्लासी मिश्रधातु क्या हैं? सामान्य धातु मिश्रधातुओं और सिरेमिक ऑक्साइड सामग्रियों की तुलना में उनके यांत्रिक गुणों की तुलना करें। ग्लासी मिश्रधातुओं के कोई दो अनुप्रयोग लिखें। (b) ग्लाइड परावर्तन और स्क्रू यौगिक समरूपता संचालन की व्याख्या करें। उनके बीच मुख्य अंतर क्या है?
Ans.
(a) ग्लासी मिश्रधातु (Glassy Alloys): ग्लासी मिश्रधातु, जिन्हें अनाकार धातु (amorphous metals) या धात्विक ग्लास (metallic glasses) भी कहा जाता है, वे धातु या मिश्रधातु हैं जिनमें एक अव्यवस्थित, गैर-क्रिस्टलीय परमाणु संरचना होती है, जो पारंपरिक क्रिस्टलीय धातुओं के विपरीत है। इन्हें पिघली हुई अवस्था से बहुत तेजी से ठंडा (rapid quenching) करके बनाया जाता है, जिससे परमाणुओं को एक व्यवस्थित जालक संरचना में व्यवस्थित होने का समय नहीं मिलता।
यांत्रिक गुणों की तुलना:
- बनाम सामान्य धातु मिश्रधातु:
- शक्ति और कठोरता: ग्लासी मिश्रधातुओं में सामान्य क्रिस्टलीय मिश्रधातुओं की तुलना में बहुत अधिक तनन सामर्थ्य (tensile strength) और कठोरता (hardness) होती है।
- प्रत्यास्थता: इनमें एक उच्च प्रत्यास्थ तनाव सीमा (elastic strain limit) होती है, जिसका अर्थ है कि वे टूटने से पहले अधिक लोचदार रूप से विकृत हो सकते हैं।
- तन्यता: हालांकि, वे कम तन्य (less ductile) होते हैं और भंगुर भंग (brittle fracture) प्रदर्शित करते हैं, जबकि सामान्य मिश्रधातु अधिक तन्य होते हैं और प्लास्टिक विरूपण से गुजरते हैं।
- बनाम सिरेमिक ऑक्साइड सामग्री:
- चर्मलता (Toughness): ग्लासी मिश्रधातु सिरेमिक की तुलना में बहुत अधिक चर्मल (tougher) और कम भंगुर होते हैं। सिरेमिक अचानक टूट जाते हैं, जबकि धात्विक ग्लास टूटने से पहले कुछ ऊर्जा अवशोषित कर सकते हैं।
- शक्ति: सिरेमिक संपीड़न (compression) में बहुत मजबूत होते हैं लेकिन तनाव (tension) में कमजोर होते हैं। ग्लासी मिश्रधातुओं में उच्च तनन सामर्थ्य होता है।
- कठोरता: कई सिरेमिक की तुलना में इनकी कठोरता कम होती है, लेकिन ये अधिकांश धातुओं से अधिक कठोर होते हैं।
अनुप्रयोग:
- ट्रांसफार्मर कोर: उनके कम निग्राहिता (low coercivity) और उच्च चुंबकीय पारगम्यता (high permeability) के कारण, वे ऊर्जा-कुशल ट्रांसफार्मर बनाने में उपयोग किए जाते हैं जो हिस्टैरिसीस हानि को कम करते हैं।
- खेल का सामान: उनके उच्च शक्ति-से-भार अनुपात के कारण, उनका उपयोग उच्च-प्रदर्शन वाले खेल उपकरणों जैसे गोल्फ क्लब, टेनिस रैकेट और बेसबॉल बैट में किया जाता है।
(b) ग्लाइड परावर्तन और स्क्रू यौगिक समरूपता संचालन:
यौगिक समरूपता संचालन दो या दो से अधिक सरल समरूपता संचालनों का संयोजन है। ग्लाइड परावर्तन और स्क्रू अक्ष क्रिस्टल जालक में पाए जाने वाले दो महत्वपूर्ण यौगिक समरूपता संचालन हैं।
ग्लाइड परावर्तन (Glide Reflection):
- यह एक परावर्तन (reflection) और एक स्थानांतरण (translation) का संयोजन है।
- संचालन में, क्रिस्टल में सभी बिंदुओं को पहले एक समतल (जिसे ग्लाइड समतल कहा जाता है) के पार परावर्तित किया जाता है।
- इसके बाद, क्रिस्टल को उसी ग्लाइड समतल के समानांतर एक निश्चित दूरी तक स्थानांतरित किया जाता है।
- यह स्थानांतरण दूरी जालक सदिश का एक भिन्न (आमतौर पर 1/2) होती है।
- इसका प्रतीक ‘a’, ‘b’, ‘c’, ‘n’ या ‘d’ हो सकता है, जो स्थानांतरण की दिशा और दूरी को दर्शाता है।
स्क्रू अक्ष (Screw Axis):
- यह एक घूर्णन (rotation) और एक स्थानांतरण (translation) का संयोजन है।
- संचालन में, क्रिस्टल को पहले एक अक्ष (जिसे स्क्रू अक्ष कहा जाता है) के चारों ओर एक निश्चित कोण से घुमाया जाता है।
- इसके बाद, क्रिस्टल को उसी स्क्रू अक्ष के समानांतर एक निश्चित दूरी तक स्थानांतरित किया जाता है।
- इसे n m द्वारा दर्शाया जाता है, जहाँ ‘n’ घूर्णन की कोटि (2, 3, 4, या 6) है और स्थानांतरण दूरी अक्ष के अनुदिश जालक सदिश का m/n गुना होती है। उदाहरण के लिए, 2₁ एक 180° घूर्णन है जिसके बाद अक्ष के समानांतर 1/2 जालक सदिश का स्थानांतरण होता है।
मुख्य अंतर: ग्लाइड परावर्तन और स्क्रू अक्ष के बीच मुख्य अंतर उन मूल समरूपता संचालनों में है जिन्हें स्थानांतरण के साथ जोड़ा जाता है:
- ग्लाइड परावर्तन एक परावर्तन को एक स्थानांतरण के साथ जोड़ता है जो परावर्तन समतल के समानांतर होता है।
- स्क्रू अक्ष एक घूर्णन को एक स्थानांतरण के साथ जोड़ता है जो घूर्णन अक्ष के समानांतर होता है।
संक्षेप में, एक में परावर्तन शामिल है, जबकि दूसरे में घूर्णन शामिल है।
Q3. (a) 5×10¹⁸ cm⁻³ डोपिंग घनत्व वाले सिलिकॉन क्रिस्टल को बनाने के लिए आवश्यक फास्फोरस के द्रव्यमान की गणना करें, यदि सिलिकॉन का मेल्ट लोड 20 किलोग्राम है। पिघले हुए सिलिकॉन का घनत्व 2.5 g cm⁻³ है और फास्फोरस का परमाणु भार 30.97 u है। मान लें कि पृथक्करण गुणांक k₀ = 0.35 पूरी वृद्धि प्रक्रिया के दौरान स्थिर रहता है। (b) डीसी प्लाज्मा स्पटर डिपोजिशन सिस्टम के लिए उपयोग किए जाने वाले सेटअप का योजनाबद्ध आरेख के साथ वर्णन करें।
Ans.
(a) फास्फोरस के द्रव्यमान की गणना:
दिया गया है:
- ठोस क्रिस्टल में डोपिंग घनत्व (C s ) = 5 x 10¹⁸ परमाणु/cm³
- सिलिकॉन का मेल्ट लोड (M Si ) = 20 kg = 20,000 g
- पिघले हुए सिलिकॉन का घनत्व (ρ Si ) = 2.5 g/cm³
- फास्फोरस का परमाणु भार (A P ) = 30.97 g/mol
- पृथक्करण गुणांक (k₀) = 0.35
- अवोगाद्रो संख्या (N A ) = 6.023 x 10²³ परमाणु/mol
गणना के चरण:
1. सिलिकॉन मेल्ट का आयतन (V Si ) ज्ञात करें:
आयतन = द्रव्यमान / घनत्व
V Si = M Si / ρ Si = 20,000 g / 2.5 g/cm³ = 8,000 cm³
2. मेल्ट में फास्फोरस की आवश्यक सांद्रता (C l ) ज्ञात करें: पृथक्करण गुणांक, ठोस में सांद्रता (C s ) और द्रव (मेल्ट) में सांद्रता (C l ) से संबंधित है: k₀ = C s / C l इसलिए, C l = C s / k₀ C l = (5 x 10¹⁸ परमाणु/cm³) / 0.35 ≈ 1.4286 x 10¹⁹ परमाणु/cm³
3. मेल्ट में आवश्यक फास्फोरस परमाणुओं की कुल संख्या (N P ) ज्ञात करें: N P = C l × V Si N P = (1.4286 x 10¹⁹ परमाणु/cm³) × (8,000 cm³) N P ≈ 1.1429 x 10²³ परमाणु
4. फास्फोरस के मोलों की संख्या (n P ) ज्ञात करें: n P = N P / N A n P = (1.1429 x 10²³ परमाणु) / (6.023 x 10²³ परमाणु/mol) ≈ 0.18975 mol
5. फास्फोरस का आवश्यक द्रव्यमान (M P ) ज्ञात करें: M P = n P × A P M P = 0.18975 mol × 30.97 g/mol ≈ 5.876 g
अतः, आवश्यक फास्फोरस का द्रव्यमान लगभग 5.88 ग्राम है।
(b) डीसी प्लाज्मा स्पटर डिपोजिशन सिस्टम:
डीसी (दिष्ट धारा) प्लाज्मा स्पटर डिपोजिशन एक भौतिक वाष्प निक्षेपण (Physical Vapor Deposition – PVD) तकनीक है जिसका उपयोग विभिन्न सबस्ट्रेट्स पर पतली फिल्मों (thin films) को जमा करने के लिए किया जाता है।
सेटअप और उपकरण:
- निर्वात कक्ष (Vacuum Chamber): एक सीलबंद कक्ष जिसमें प्रक्रिया होती है।
- लक्ष्य (Target): कैथोड के रूप में कार्य करता है और उस सामग्री से बना होता है जिसे जमा किया जाना है। इसे एक डीसी पावर सप्लाई के ऋणात्मक टर्मिनल से जोड़ा जाता है।
- सब्सट्रेट होल्डर (Substrate Holder): एनोड के रूप में कार्य करता है और उस सब्सट्रेट को रखता है जिस पर फिल्म जमा की जानी है। इसे आमतौर पर ग्राउंड किया जाता है या पावर सप्लाई के धनात्मक टर्मिनल से जोड़ा जाता है।
- डीसी पावर सप्लाई: लक्ष्य और सब्सट्रेट के बीच एक उच्च वोल्टेज (सैकड़ों से हजारों वोल्ट) प्रदान करता है।
- अक्रिय गैस इनलेट: आमतौर पर आर्गन (Ar) जैसी अक्रिय गैस को कम दबाव पर कक्ष में प्रवेश कराने के लिए।
- निर्वात पंपिंग प्रणाली: प्रक्रिया से पहले कक्ष को उच्च निर्वात तक खाली करने के लिए।
कार्यप्रणाली:
- निर्वात: सबसे पहले, कक्ष को उच्च निर्वात (high vacuum) में खाली किया जाता है ताकि अशुद्धियों को दूर किया जा सके।
- गैस प्रवेश: फिर, आर्गन गैस को कम दबाव (लगभग 1-100 mTorr) पर कक्ष में डाला जाता है।
- प्लाज्मा निर्माण: डीसी पावर सप्लाई चालू की जाती है, जिससे लक्ष्य (कैथोड) और सब्सट्रेट (एनोड) के बीच एक मजबूत विद्युत क्षेत्र बनता है। यह विद्युत क्षेत्र आर्गन गैस को आयनित करता है, जिससे प्लाज्मा बनता है – जिसमें Ar⁺ आयन, इलेक्ट्रॉन और उदासीन Ar परमाणु होते हैं। यह प्लाज्मा एक विशिष्ट चमक (glow discharge) उत्सर्जित करता है।
- स्पटरिंग: धनात्मक रूप से आवेशित Ar⁺ आयन ऋणात्मक लक्ष्य की ओर तेजी से बढ़ते हैं और उससे टकराते हैं। यह बमबारी लक्ष्य की सतह से परमाणुओं को बाहर निकाल देती है। इस प्रक्रिया को स्पटरिंग कहा जाता है।
- निक्षेपण (Deposition): स्पटर हुए लक्ष्य परमाणु कक्ष के माध्यम से यात्रा करते हैं और सब्सट्रेट की सतह पर संघनित होते हैं, जिससे एक पतली फिल्म बनती है।
योजनाबद्ध आरेख:
[एक आरेख जिसमें एक निर्वात कक्ष, अंदर एक कैथोड (लक्ष्य) और एक एनोड (सब्सट्रेट), एक डीसी पावर सप्लाई, एक गैस इनलेट और एक वैक्यूम पंप दिखाया गया है। Ar⁺ आयन लक्ष्य से टकराते हुए और लक्ष्य परमाणु सब्सट्रेट की ओर बढ़ते हुए दिखाए गए हैं।]
Q4. ठोसों में उनके आयामीयता के आधार पर दोषों का वर्गीकरण करें।
Ans. ठोस पदार्थों में दोष या अपूर्णताएं क्रिस्टल जालक में परमाणुओं की पूर्ण, आवधिक व्यवस्था से किसी भी विचलन को संदर्भित करती हैं। ये दोष पदार्थ के गुणों, जैसे यांत्रिक शक्ति, विद्युत चालकता और ऑप्टिकल गुणों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं। दोषों को उनकी ज्यामिति या आयामीयता के आधार पर चार मुख्य श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है:
1. बिंदु दोष (Point Defects) – 0-आयामी:
ये दोष एक एकल जालक स्थल या परमाणुओं के बीच एक अंतराकाशी स्थल तक ही सीमित होते हैं। वे शून्य-आयामी होते हैं क्योंकि वे सभी दिशाओं में बहुत छोटे होते हैं।
- रिक्ति (Vacancy): एक जालक स्थल से एक परमाणु का गायब होना। सभी क्रिस्टलीय ठोसों में रिक्तियां मौजूद होती हैं और तापमान के साथ उनकी संख्या बढ़ती है।
- अंतराकाशी दोष (Interstitialcy): एक परमाणु जो सामान्य जालक स्थल पर नहीं, बल्कि परमाणुओं के बीच एक अंतराकाशी स्थिति में स्थित होता है। यह एक स्व-अंतराकाशी (एक ही तत्व का परमाणु) या एक अशुद्धता अंतराकाशी (एक विदेशी परमाणु) हो सकता है।
- प्रतिस्थापनीय अशुद्धता (Substitutional Impurity): एक मेजबान परमाणु के स्थान पर एक विदेशी परमाणु का जालक स्थल पर बैठना। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन में बोरॉन।
- फ्रेंकेल दोष (Frenkel Defect): यह एक रिक्ति-अंतराकाशी जोड़ी है। एक आयन अपने सामान्य जालक स्थल को छोड़कर पास के एक अंतराकाशी स्थल पर चला जाता है। यह आयनिक ठोसों में आम है।
- शॉटकी दोष (Schottky Defect): आयनिक क्रिस्टलों में, यह विपरीत आवेश वाले आयनों की रिक्तियों की एक जोड़ी है। यह क्रिस्टल की विद्युत उदासीनता बनाए रखने के लिए आवश्यक है।
2. रेखा दोष (Line Defects) – 1-आयामी:
ये एक-आयामी दोष हैं और इन्हें विस्थापन (dislocations) भी कहा जाता है। ये क्रिस्टल के माध्यम से एक रेखा के साथ परमाणुओं की अव्यवस्था हैं। ये प्लास्टिक विरूपण में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
- कोर विस्थापन (Edge Dislocation): इसे क्रिस्टल जालक में परमाणुओं के एक अतिरिक्त आधे-तल (extra half-plane) के रूप में देखा जा सकता है। विस्थापन रेखा इस आधे-तल का किनारा होती है। इसका बर्जर्स सदिश (Burgers vector) विस्थापन रेखा के लंबवत होता है।
- पेंच विस्थापन (Screw Dislocation): यह विस्थापन रेखा के चारों ओर परमाणुओं के तलों के एक सर्पिल रैंप के कारण होता है। यह अपरूपण प्रतिबल (shear stress) द्वारा बनता है। इसका बर्जर्स सदिश विस्थापन रेखा के समानांतर होता है।
- मिश्रित विस्थापन (Mixed Dislocation): अधिकांश वास्तविक विस्थापनों में कोर और पेंच दोनों के गुण होते हैं।
3. समतल दोष (Planar Defects) – 2-आयामी:
ये दो-आयामी अंतरापृष्ठ (interfaces) हैं जो क्रिस्टल के भीतर विभिन्न क्षेत्रों को अलग करते हैं।
- बाहरी सतहें (External Surfaces): क्रिस्टल की सतह स्वयं एक दोष है क्योंकि सतह के परमाणुओं के पास क्रिस्टल के अंदर के परमाणुओं की तरह पूर्ण समन्वय संख्या नहीं होती है, जिससे सतह ऊर्जा उत्पन्न होती है।
- कण सीमाएं (Grain Boundaries): यह अलग-अलग क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास वाले दो कणों (grains) या क्रिस्टलाइट्स के बीच का अंतरापृष्ठ है।
- यमल सीमाएं (Twin Boundaries): यह एक विशेष प्रकार की कण सीमा है जिसमें एक तरफ का जालक दूसरी तरफ के जालक का दर्पण प्रतिबिंब होता है।
- स्टैकिंग दोष (Stacking Fault): यह FCC या HCP संरचनाओं में परमाणुओं के तलों के सामान्य स्टैकिंग अनुक्रम में एक व्यवधान है (उदाहरण के लिए, FCC में ABCABC अनुक्रम का ABCBCABC बन जाना)।
4. आयतन दोष (Volume Defects) – 3-आयामी:
ये बड़े पैमाने पर, त्रि-आयामी दोष हैं।
- अवक्षेप (Precipitates): मेजबान मैट्रिक्स के भीतर दूसरे चरण (second phase) के समूह।
- रिक्तिकाएं (Voids): रिक्तियों के समूह जो छोटे खाली स्थान बनाते हैं।
- दरारें (Cracks): सामग्री के भीतर बड़े पैमाने पर अलगाव।
- अंतर्वेशन (Inclusions): प्रसंस्करण के दौरान ठोस के भीतर फंसे हुए विदेशी कण।
Q5. (a) ठोस क्रिस्टलों में विसरण को जन्म देने वाले किन्हीं दो विभिन्न प्रकार के प्रवणताओं (gradients) की व्याख्या करें। (b) यूटेक्टिक चरण आरेख क्या हैं? एक द्विआधारी मिश्रधातु प्रणाली का एक नामांकित योजनाबद्ध यूटेक्टिक चरण आरेख बनाएं, जिसमें यूटेक्टिक बिंदु, लिक्विडस, सॉलिडस और सॉल्वस वक्रों को दर्शाया गया हो।
Ans.
(a) विसरण (Diffusion) को जन्म देने वाली प्रवणताएं: विसरण उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र से कम सांद्रता वाले क्षेत्र में परमाणुओं, आयनों या अणुओं की शुद्ध गति है। यह प्रक्रिया एक प्रवणता (gradient) द्वारा संचालित होती है। विसरण को जन्म देने वाली दो मुख्य प्रवणताएं निम्नलिखित हैं:
1. सांद्रता प्रवणता (Concentration Gradient):
- यह विसरण के लिए सबसे आम और महत्वपूर्ण प्रेरक शक्ति है। जब किसी सामग्री के भीतर किसी विशेष परमाणु प्रजाति की सांद्रता एक समान नहीं होती है, तो एक सांद्रता प्रवणता (dC/dx) मौजूद होती है।
- परमाणु स्वाभाविक रूप से उच्च सांद्रता वाले क्षेत्रों से कम सांद्रता वाले क्षेत्रों की ओर बढ़ते हैं ताकि संरचना को समरूप बनाया जा सके और सिस्टम की कुल गिब्स मुक्त ऊर्जा को कम किया जा सके।
- इस प्रक्रिया का वर्णन फिक के पहले नियम (Fick’s First Law) द्वारा किया जाता है: J = -D (dC/dx) , जहाँ J विसरण फ्लक्स (diffusion flux) है, D विसरण गुणांक है, और dC/dx सांद्रता प्रवणता है। ऋणात्मक चिह्न इंगित करता है कि विसरण सांद्रता प्रवणता की दिशा के विपरीत होता है।
- उदाहरण: स्टील की सतह पर कार्बन परमाणुओं का विसरण (कार्बुराइजिंग) ताकि सतह को कठोर बनाया जा सके, या एक सिलिकॉन वेफर में अशुद्धता परमाणुओं (जैसे बोरॉन या फास्फोरस) का विसरण ताकि p-n जंक्शन बनाया जा सके।
2. विद्युत क्षेत्र प्रवणता (Electric Field Gradient) / इलेक्ट्रोमाइग्रेशन:
- जब एक चालक या आयनिक सामग्री पर एक विद्युत क्षेत्र (voltage gradient) लगाया जाता है, तो यह आवेशित कणों पर एक बल डालता है, जिससे वे एक दिशा में गति करते हैं। इस घटना को इलेक्ट्रोमाइग्रेशन कहा जाता है।
- धातुओं में, चालन इलेक्ट्रॉन “इलेक्ट्रॉन हवा” (electron wind) के रूप में कार्य करते हैं, जो धनात्मक धातु आयनों के साथ संवेग का आदान-प्रदान करते हैं और उन्हें इलेक्ट्रॉन प्रवाह की दिशा में धकेलते हैं। आयनिक ठोसों में, विद्युत क्षेत्र सीधे आयनों (cations और anions) पर बल लगाता है।
- यह प्रभाव माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में एक बड़ी विश्वसनीयता समस्या है, जहां उच्च धारा घनत्व धातु के इंटरकनेक्ट्स (जैसे एल्यूमीनियम या तांबा) में परमाणुओं का महत्वपूर्ण प्रवासन कर सकता है, जिससे रिक्तियां (voids) और शॉर्ट सर्किट हो सकते हैं।
- उदाहरण: एकीकृत सर्किट में एल्यूमीनियम की पतली फिल्म इंटरकनेक्ट्स में इलेक्ट्रोमाइग्रेशन के कारण विफलता।
अन्य प्रवणताओं में तापमान प्रवणता (सोरेट प्रभाव) और तनाव प्रवणता (डिफ्यूजनल क्रीप) शामिल हैं।
(b) यूटेक्टिक चरण आरेख:
एक यूटेक्टिक चरण आरेख एक प्रकार का द्विआधारी (binary) चरण आरेख है जो एक ऐसी मिश्रधातु प्रणाली का वर्णन करता है जिसमें दो घटक तरल अवस्था में पूरी तरह से घुलनशील होते हैं लेकिन ठोस अवस्था में आंशिक रूप से या पूरी तरह से अघुलनशील होते हैं।
इसकी सबसे महत्वपूर्ण विशेषता यूटेक्टिक अभिक्रिया (eutectic reaction) है, जिसमें एक निश्चित संरचना पर, एक तरल चरण ठंडा होने पर एक साथ दो अलग-अलग ठोस चरणों में परिवर्तित हो जाता है।
L ⇌ α + β (ठंडा होने पर / गर्म होने पर)
मुख्य विशेषताएं:
- यूटेक्टिक बिंदु (Eutectic Point): यह चरण आरेख पर वह बिंदु है जहां यूटेक्टिक अभिक्रिया होती है। यह मिश्रधातु प्रणाली का सबसे कम गलनांक वाला बिंदु है। इस बिंदु पर तापमान को यूटेक्टिक तापमान और संरचना को यूटेक्टिक संरचना कहा जाता है।
- लिक्विडस रेखा (Liquidus Line): वह रेखा जिसके ऊपर मिश्रधातु पूरी तरह से तरल अवस्था में होती है।
- सॉलिडस रेखा (Solidus Line): वह रेखा जिसके नीचे मिश्रधातु पूरी तरह से ठोस अवस्था में होती है। यूटेक्टिक प्रणाली में, सॉलिडस रेखा यूटेक्टिक तापमान पर एक क्षैतिज रेखा होती है।
- सॉल्वस रेखा (Solvus Line): यह रेखा एक ठोस चरण में दूसरे घटक की ठोस घुलनशीलता की सीमा को दर्शाती है। यह तापमान के साथ बदलती है।
नामांकित योजनाबद्ध यूटेक्टिक चरण आरेख:
[A और B घटकों वाली एक द्विआधारी प्रणाली के लिए एक चरण आरेख बनाया गया है। Y-अक्ष पर तापमान और X-अक्ष पर %B में संरचना है।]
- क्षेत्र: आरेख को विभिन्न क्षेत्रों में विभाजित किया गया है:
- L (तरल): लिक्विडस रेखा के ऊपर का क्षेत्र।
- α: एक ठोस विलयन जिसमें A विलायक और B विलेय है।
- β: एक ठोस विलयन जिसमें B विलायक और A विलेय है।
- L + α: लिक्विडस और सॉलिडस के बीच का क्षेत्र जहाँ तरल और α चरण सह-अस्तित्व में हैं।
- L + β: लिक्विडस और सॉलिडस के बीच का क्षेत्र जहाँ तरल और β चरण सह-अस्तित्व में हैं।
- α + β: सॉलिडस रेखा के नीचे का क्षेत्र जहाँ α और β दोनों ठोस चरण सह-अस्तित्व में हैं।
- रेखाएं और बिंदु:
- लिक्विडस रेखा: दो वक्र जो शुद्ध घटकों के गलनांक से यूटेक्टिक बिंदु तक नीचे की ओर जाते हैं।
- सॉलिडस रेखा: यूटेक्टिक तापमान पर क्षैतिज रेखा।
- सॉल्वस रेखाएं: α और β क्षेत्रों की सीमाओं को परिभाषित करने वाली रेखाएं।
- यूटेक्टिक बिंदु (E): वह बिंदु जहां लिक्विडस रेखाएं मिलती हैं और सॉलिडस रेखा को छूती हैं।
Q6. (a) किसी पदार्थ का एक विशिष्ट प्रतिबल-विकृति वक्र बनाएं। विभिन्न यांत्रिक शक्तियों को परिभाषित करें और इस आरेख पर संबंधित विरूपण क्षेत्रों को इंगित करें। (b) किसी पदार्थ की कठोरता को परिभाषित करें। रॉकवेल कठोरता परीक्षण की विधि का वर्णन करें।
Ans.
(a) प्रतिबल-विकृति वक्र (Stress-Strain Curve):
प्रतिबल-विकृति वक्र एक ग्राफ है जो किसी पदार्थ पर लागू प्रतिबल (stress, σ) और उसके परिणामस्वरूप उत्पन्न विकृति (strain, ε) के बीच संबंध को दर्शाता है। यह पदार्थ के यांत्रिक गुणों को समझने के लिए मौलिक है।
[एक विशिष्ट तन्य धातु के लिए एक प्रतिबल-विकृति वक्र का आरेख बनाया गया है, जिसमें Y-अक्ष पर प्रतिबल (Stress) और X-अक्ष पर विकृति (Strain) है।]
विरूपण क्षेत्र (Deformation Regions):
- प्रत्यास्थ विरूपण क्षेत्र (Elastic Deformation Region): यह वक्र का प्रारंभिक रैखिक भाग है। इस क्षेत्र में, विरूपण अस्थायी होता है; भार हटाने पर पदार्थ अपने मूल आकार में लौट आता है। यह हुक के नियम (σ = Eε) का पालन करता है, जहाँ E यंग का मापांक है।
- प्लास्टिक विरूपण क्षेत्र (Plastic Deformation Region): प्रत्यास्थ सीमा के बाद का क्षेत्र। इस क्षेत्र में, विरूपण स्थायी होता है। यह पराभव (yielding) से शुरू होता है, इसके बाद विकृति कठोरीकरण (strain hardening) होता है, और अंत में विभंग (fracture) होता है।
विभिन्न यांत्रिक शक्तियाँ (Mechanical Strengths):
- आनुपातिक सीमा (Proportional Limit): वक्र पर वह बिंदु जहाँ तक प्रतिबल विकृति के सीधे आनुपातिक होता है।
- प्रत्यास्थ सीमा (Elastic Limit): वह अधिकतम प्रतिबल जिसे कोई पदार्थ बिना किसी स्थायी विरूपण के सहन कर सकता है। यह आनुपातिक सीमा के बहुत करीब होता है।
- पराभव सामर्थ्य (Yield Strength, σ y ): वह प्रतिबल जिस पर पदार्थ में प्लास्टिक विरूपण शुरू होता है। जिन सामग्रियों में स्पष्ट पराभव बिंदु नहीं होता, उनके लिए इसे अक्सर 0.2% ऑफसेट विधि द्वारा परिभाषित किया जाता है।
- चरम तनन सामर्थ्य (Ultimate Tensile Strength, UTS, σ uts ): वह अधिकतम प्रतिबल जिसे कोई पदार्थ टूटने से पहले झेल सकता है। यह वक्र का उच्चतम बिंदु है। इस बिंदु के बाद, ग्रीवा निर्माण (necking) शुरू हो जाता है।
- विभंग सामर्थ्य (Fracture Strength): वह प्रतिबल जिस पर पदार्थ टूट जाता है। ग्रीवा निर्माण के कारण यह UTS से कम हो सकता है।
[इन सभी बिंदुओं और क्षेत्रों को आरेख पर स्पष्ट रूप से नामांकित किया गया है।]
(b) कठोरता और रॉकवेल कठोरता परीक्षण:
कठोरता (Hardness):
कठोरता किसी पदार्थ के स्थानीयकृत प्लास्टिक विरूपण, जैसे खरोंच या इंडेंटेशन (indentation), के प्रति प्रतिरोध का एक माप है। यह एक मौलिक गुण नहीं है, बल्कि एक मिश्रित गुण है जो पदार्थ की सामर्थ्य, प्रत्यास्थता और प्लास्टिसिटी से संबंधित है।
रॉकवेल कठोरता परीक्षण (Rockwell Hardness Test):
यह सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले कठोरता परीक्षणों में से एक है।
विधि:
- सिद्धांत: यह परीक्षण एक विशिष्ट इंडेंटर द्वारा एक विशिष्ट भार के तहत उत्पन्न स्थायी इंडेंटेशन की गहराई को मापता है। कठोरता संख्या प्रवेश की गहराई के व्युत्क्रमानुपाती होती है – जितनी गहरी छाप, उतनी नरम सामग्री।
- प्रक्रिया:
- प्रारंभिक भार (Minor Load): सबसे पहले, एक छोटा प्रारंभिक भार (आमतौर पर 10 kgf) लगाया जाता है। यह इंडेंटर को ठीक से बैठाता है और सतह की अनियमितताओं के प्रभाव को समाप्त करता है। इस बिंदु पर गहराई गेज को शून्य पर सेट किया जाता है।
- मुख्य भार (Major Load): फिर, एक बड़ा मुख्य भार एक निर्दिष्ट अवधि के लिए लगाया जाता है, जिससे इंडेंटर सामग्री में और गहरा धंस जाता है।
- भार हटाना: मुख्य भार को हटा दिया जाता है, लेकिन प्रारंभिक भार बना रहता है। सामग्री आंशिक रूप से प्रत्यास्थ रूप से ठीक हो जाती है।
- माप: प्रारंभिक और मुख्य भार के तहत प्रवेश की गहराई के बीच का अंतर (स्थायी गहराई) मापा जाता है। रॉकवेल कठोरता संख्या सीधे एक डायल या डिजिटल डिस्प्ले से पढ़ी जाती है, जिसे इस गहराई के अंतर से गणना की जाती है।
- इंडेंटर और स्केल (Indentors and Scales): परीक्षण में विभिन्न इंडेंटर्स (जैसे, डायमंड कोन या स्टील बॉल) और भारों का उपयोग किया जाता है, जो विभिन्न रॉकवेल स्केलों को परिभाषित करते हैं।
- रॉकवेल सी-स्केल (HRC): इसका उपयोग कठोर सामग्रियों (जैसे कठोर स्टील) के लिए किया जाता है। इसमें एक डायमंड कोन इंडेंटर (‘ब्रेल’) और 150 kgf का मुख्य भार उपयोग होता है।
- रॉकवेल बी-स्केल (HRB): इसका उपयोग नरम सामग्रियों (जैसे, नरम स्टील, पीतल) के लिए किया जाता है। इसमें 1/16 इंच व्यास की स्टील बॉल और 100 kgf का मुख्य भार उपयोग होता है।
Q7. (a) Fe-Zn प्रणाली के उदाहरण की सहायता से गैल्वेनिक संक्षारण की प्रक्रिया की व्याख्या करें। (b) तनु चुंबकीय अर्धचालक (DMS) क्या हैं? वे कैसे बनते हैं?
Ans.
(a) गैल्वेनिक संक्षारण (Galvanic Corrosion):
गैल्वेनिक संक्षारण एक विद्युत रासायनिक प्रक्रिया है जिसमें जब दो भिन्न धातुएं एक-दूसरे के साथ विद्युत संपर्क में होती हैं और दोनों एक सामान्य इलेक्ट्रोलाइट (जैसे, पानी या नमी) में डूबी होती हैं, तो एक धातु दूसरी की तुलना में préférentiellement (वरीयता से) संक्षारित होती है।
कार्यप्रणाली:
- यह एक गैल्वेनिक सेल बनाता है।
- अधिक एनोडिक (कम उत्कृष्ट/अधिक प्रतिक्रियाशील) धातु एनोड के रूप में कार्य करती है और संक्षारित (ऑक्सीकृत) होती है।
- अधिक कैथोडिक (अधिक उत्कृष्ट/कम प्रतिक्रियाशील) धातु कैथोड के रूप में कार्य करती है और संरक्षित रहती है।
- धातुओं की सापेक्ष प्रतिक्रियाशीलता गैल्वेनिक श्रृंखला (galvanic series) द्वारा निर्धारित की जाती है।
Fe-Zn प्रणाली का उदाहरण (गैल्वेनाइज्ड स्टील):
जस्ती लोहा (Galvanized steel), जिसमें लोहे (Fe) पर जस्ता (Zn) की एक परत चढ़ी होती है, गैल्वेनिक संक्षारण के माध्यम से सुरक्षा का một क्लासिक उदाहरण है।
- सेटअप: जस्ता (Zn) और लोहा (Fe) विद्युत संपर्क में हैं। नमी या बारिश का पानी इलेक्ट्रोलाइट के रूप में कार्य करता है।
- विद्युत रसायन: गैल्वेनिक श्रृंखला में, जस्ता लोहे की तुलना में अधिक प्रतिक्रियाशील (अधिक एनोडिक) है।
- एनोडिक अभिक्रिया (ऑक्सीकरण): जस्ता एनोड बन जाता है और वरीयता से संक्षारित होता है, अर्थात, यह अपने इलेक्ट्रॉनों को खो देता है। एनोड: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
- कैथोडिक अभिक्रिया (अपचयन): जस्ता द्वारा छोड़े गए इलेक्ट्रॉन लोहे की सतह पर प्रवाहित होते हैं, जो कैथोड के रूप में कार्य करता है। ये इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रोलाइट में मौजूद ऑक्सीजन और पानी के साथ अभिक्रिया करके हाइड्रॉक्साइड आयन बनाते हैं। कैथोड: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
- परिणाम: जस्ता की परत धीरे-धीरे घुल जाती है, लेकिन यह प्रक्रिया अंतर्निहित लोहे को जंग लगने से बचाती है। इसे कैथोडिक संरक्षण (cathodic protection) या बलिदानी संरक्षण (sacrificial protection) कहा जाता है। यदि जस्ता की परत खरोंच भी जाए, तो भी उजागर लोहा तब तक सुरक्षित रहता है जब तक आस-पास जस्ता मौजूद है जो एनोड के रूप में कार्य कर सके।
(b) तनु चुंबकीय अर्धचालक (Dilute Magnetic Semiconductors – DMS):
परिभाषा:
तनु चुंबकीय अर्धचालक (DMS) पारंपरिक गैर-चुंबकीय अर्धचालक (जैसे GaAs, ZnO) होते हैं, जिनमें मेजबान धनायनों (host cations) के एक छोटे हिस्से को चुंबकीय संक्रमण धातु आयनों (जैसे Mn, Fe, Co) द्वारा प्रतिस्थापित कर दिया जाता है। DMS सामग्रियों में अर्धचालकों (आवेश वाहक नियंत्रण) और चुंबकीय सामग्रियों (स्पिन नियंत्रण) दोनों के गुण होते हैं।
इनका मुख्य उद्देश्य ऐसी सामग्री बनाना है जो कमरे के तापमान या उससे ऊपर अर्धचालकीय और लौह-चुंबकीय (ferromagnetic) दोनों हो, जो स्पिंट्रॉनिक्स (spintronics) नामक एक उभरते हुए क्षेत्र के लिए महत्वपूर्ण है। स्पिंट्रॉनिक्स उपकरणों में सूचना को संसाधित करने के लिए इलेक्ट्रॉन के आवेश के साथ-साथ उसके स्पिन का भी उपयोग किया जाता है।
निर्माण की विधि:
DMS का निर्माण मेजबान अर्धचालक जालक में चुंबकीय आयनों को शामिल करके किया जाता है। यह महत्वपूर्ण है कि चुंबकीय आयन मेजबान परमाणुओं को प्रतिस्थापित करें और अलग चुंबकीय समूहों का निर्माण न करें।
- एपिटैक्सियल वृद्धि (Epitaxial Growth):
- आणविक किरण एपिटैक्सी (Molecular Beam Epitaxy – MBE): यह एक उच्च-निर्वात तकनीक है जो परमाणुओं की परतों को एक-एक करके जमा करके उच्च-गुणवत्ता वाली पतली फिल्में उगाती है। यह संरचना और डोपिंग स्तरों पर सटीक नियंत्रण की अनुमति देती है, जिससे यह DMS के निर्माण के लिए एक प्रमुख तकनीक है।
- धातु-कार्बनिक रासायनिक वाष्प निक्षेपण (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition – MOCVD): यह भी एक पतली फिल्म वृद्धि तकनीक है जिसका उपयोग DMS के निर्माण के लिए किया जाता है।
- आयन आरोपण (Ion Implantation): इस विधि में, चुंबकीय आयनों को उच्च ऊर्जा के साथ अर्धचालक वेफर में प्रत्यारोपित किया जाता है। इसके बाद, जालक क्षति की मरम्मत और डोपेंट को सक्रिय करने के लिए तापनुशीलन (annealing) किया जाता है।
- बल्क क्रिस्टल वृद्धि (Bulk Crystal Growth): चोक्राल्स्की (Czochralski) या ब्रिजमैन (Bridgman) जैसी बल्क वृद्धि तकनीकों को संशोधित करके पिघले हुए पदार्थ में चुंबकीय डोपेंट को शामिल किया जा सकता है।
इन सामग्रियों में लौह-चुंबकत्व अक्सर अर्धचालक में मौजूद आवेश वाहकों (छिद्रों या इलेक्ट्रॉनों) द्वारा मध्यस्थ होता है, जिसे वाहक-मध्यस्थ विनिमय अंतःक्रिया (carrier-mediated exchange interaction) कहा जाता है।
Q8. (a) कार्बन नैनोट्यूब (CNT) क्या हैं? उनके प्रकारों की व्याख्या करें। CNT के कोई दो अनुप्रयोग लिखें। (b) ऑर्गेनिक इलेक्ट्रॉनिक्स क्या है? एक उपयुक्त आरेख की सहायता से ऑर्गेनिक डायोड के कामकाज की व्याख्या करें।
Ans.
(a) कार्बन नैनोट्यूब (Carbon Nanotubes – CNTs):
कार्बन नैनोट्यूब कार्बन के अपरूप (allotropes) हैं जिनकी एक बेलनाकार नैनोसंरचना होती है। उन्हें ग्रेफीन (कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत) की एक शीट के रूप में कल्पना की जा सकती है जिसे एक सहज सिलेंडर में लपेटा गया हो। वे फुलेरीन संरचनात्मक परिवार के सदस्य हैं।
CNT में असाधारण गुण होते हैं, जिनमें अत्यधिक उच्च तनन सामर्थ्य (किसी भी ज्ञात सामग्री से अधिक), उच्च विद्युत और तापीय चालकता, और अद्वितीय ऑप्टिकल गुण शामिल हैं।
प्रकार:
- एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (Single-Walled Carbon Nanotubes – SWCNTs): ये ग्रेफीन के एक ही सिलेंडर से बने होते हैं। इनका व्यास आमतौर पर 1-2 नैनोमीटर होता है। उनकी काइरलता (chirality) – जिस कोण पर ग्रेफीन शीट को लपेटा जाता है – के आधार पर, SWCNTs या तो धात्विक (metallic) या अर्धचालकीय (semiconducting) हो सकते हैं।
- बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (Multi-Walled Carbon Nanotubes – MWCNTs): ये ग्रेफीन के कई संकेंद्रित सिलेंडरों से बने होते हैं जो एक-दूसरे के अंदर घोंसले की तरह होते हैं। इनका व्यास कुछ नैनोमीटर से लेकर दसियों नैनोमीटर तक होता है। MWCNTs आम तौर पर धात्विक होते हैं।
अनुप्रयोग:
- सम्मिश्र सामग्री (Composites): CNTs का उपयोग पॉलिमर, धातुओं और सिरेमिक में प्रबलन एजेंट के रूप में किया जाता है ताकि असाधारण रूप से मजबूत और हल्के पदार्थ बनाए जा सकें। उदाहरण: साइकिल फ्रेम, कार के पुर्जे, और एयरोस्पेस घटकों में।
- इलेक्ट्रॉनिक्स: उनकी उच्च चालकता के कारण, CNTs का उपयोग पारदर्शी प्रवाहकीय फिल्मों (टच स्क्रीन और लचीले डिस्प्ले के लिए), ट्रांजिस्टर (FETs में चैनल के रूप में), और एकीकृत सर्किट में इंटरकनेक्ट के रूप में किया जाता है।
(b) ऑर्गेनिक इलेक्ट्रॉनिक्स और ऑर्गेनिक डायोड:
ऑर्गेनिक इलेक्ट्रॉनिक्स (Organic Electronics):
यह इलेक्ट्रॉनिक्स का एक क्षेत्र है जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में सक्रिय अर्धचालक सामग्री के रूप में कार्बन-आधारित कार्बनिक अणुओं या पॉलिमर का उपयोग करता है। पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में, ऑर्गेनिक इलेक्ट्रॉनिक्स कम लागत, यांत्रिक लचीलापन, बड़े क्षेत्र पर निर्माण (जैसे प्रिंटिंग तकनीक), और रासायनिक संश्लेषण के माध्यम सेปรับแต่ง गुणों जैसे फायदे प्रदान करता है।
ऑर्गेनिक डायोड का कामकाज (उदाहरण: ऑर्गेनिक लाइट-एमिटिंग डायोड – OLED):
एक ऑर्गेनिक डायोड एक ऐसा उपकरण है जो मुख्य रूप से एक दिशा में धारा के प्रवाह की अनुमति देता है, और यह कार्बनिक अर्धचालक परतों से बना होता है। OLED इसका एक प्रमुख उदाहरण है।
संरचना: एक OLED में आमतौर पर निम्नलिखित परतें होती हैं, जो एक पारदर्शी सब्सट्रेट (जैसे कांच) पर जमा होती हैं:
- एनोड (Anode): एक पारदर्शी चालक (जैसे, ITO) जो छिद्रों (holes) को इंजेक्ट करता है।
- होल ट्रांसपोर्ट लेयर (HTL): एक कार्बनिक परत जो छिद्रों के परिवहन की सुविधा प्रदान करती है।
- उत्सर्जक परत (Emissive Layer – EML): एक कार्बनिक परत जहां प्रकाश उत्पन्न होता है।
- इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्ट लेयर (ETL): एक कार्बनिक परत जो इलेक्ट्रॉनों के परिवहन की सुविधा प्रदान करती है।
- कैथोड (Cathode): एक कम कार्य-फलन वाली धातु (जैसे, Ca, Al) जो इलेक्ट्रॉनों को इंजेक्ट करती है।
कार्यप्रणाली (अग्र अभिनति के तहत):
- जब एनोड पर धनात्मक और कैथोड पर ऋणात्मक वोल्टेज लगाया जाता है, तो एनोड से छिद्र (holes) HTL में इंजेक्ट होते हैं और कैथोड से इलेक्ट्रॉन ETL में इंजेक्ट होते हैं।
- ये छिद्र और इलेक्ट्रॉन अपनी संबंधित परिवहन परतों के माध्यम से डिवाइस के केंद्र की ओर बढ़ते हैं।
- वे उत्सर्जक परत (EML) में मिलते हैं और पुनर्संयोजित (recombine) होते हैं।
- इस पुनर्संयोजन से एक उत्तेजित अवस्था बनती है जिसे एक्सिटॉन (exciton) कहा जाता है।
- जब यह एक्सिटॉन अपनी मूल ऊर्जा अवस्था में लौटता है, तो यह एक फोटॉन (photon) के रूप में ऊर्जा जारी करता है, जिसे हम प्रकाश के रूप में देखते हैं। उत्सर्जित प्रकाश का रंग EML में उपयोग की जाने वाली कार्बनिक सामग्री के प्रकार पर निर्भर करता है।
उपयुक्त आरेख:
[एक स्तरित आरेख जिसमें एनोड, HTL, EML, ETL, और कैथोड को एक सब्सट्रेट पर दिखाया गया है। इलेक्ट्रॉन (e⁻) और छिद्र (h⁺) के इंजेक्शन और परिवहन को तीरों से दर्शाया गया है, जो EML में पुनर्संयोजित हो रहे हैं और प्रकाश (hν) उत्सर्जित कर रहे हैं।]
IGNOU MPHE-025 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. (a) Classify the materials based on their band structure. State one application of each. (b) Explain with examples the difference between solid solution and compound structure formed when alloying element is added to a pure metal.
Ans. (a) Classification of Materials Based on Band Structure: In solid materials, the interaction between atoms causes discrete energy levels to broaden into energy bands. Based on the energy gap (E g ) between the Valence Band (VB) and the Conduction Band (CB), materials can be classified into three categories: 1. Conductors:
- Band Structure: In conductors, the valence band and the conduction band are overlapped, or the conduction band is partially filled. Consequently, there is no energy gap (E g ≈ 0) between the two bands.
- Mechanism: Electrons require very little or no energy to move from the valence band to the conduction band. Even a small applied electric field can cause electrons to move freely, leading to high electrical conductivity.
- Example: Copper (Cu), Aluminum (Al), Silver (Ag).
- Application: Copper is used in electrical wires and cables .
2. Semiconductors:
- Band Structure: In semiconductors, there is a small energy gap (E g ≈ 0.2 to 3 eV) between the valence band and the conduction band. The valence band is nearly full, and the conduction band is nearly empty.
- Mechanism: At absolute zero temperature, they behave like an insulator. At room temperature, thermal energy is sufficient to excite some electrons across the energy gap into the conduction band, allowing them to conduct a small amount of electricity. Their conductivity can be precisely controlled by doping.
- Example: Silicon (Si), Germanium (Ge), Gallium Arsenide (GaAs).
- Application: Silicon is used to make transistors, diodes, and integrated circuits (ICs) .
3. Insulators:
- Band Structure: In insulators, there is a very large energy gap (E g > 3 eV) between the valence band and the conduction band. The valence band is completely full, and the conduction band is completely empty.
- Mechanism: Due to the large energy gap, electrons cannot jump from the valence band to the conduction band under normal conditions. Therefore, they do not conduct electricity.
- Example: Diamond, Quartz (SiO₂), Glass.
- Application: Glass is used as an electrical insulator .
(b) Difference between Solid Solution and Compound Structure:
When an alloying element (solute) is added to a pure metal (solvent), two main types of structures can be formed: solid solutions and compounds.
Solid Solution:
- Definition: In a solid solution, the solute atoms are randomly dispersed within the crystal lattice of the solvent, and the original crystal structure of the solvent is maintained. It is a single-phase alloy.
- Types:
- Substitutional Solid Solution: The solute atoms replace the solvent atoms from their lattice sites. This occurs when atoms of both elements have similar size, crystal structure, and electronegativity. Example: Copper-Nickel (Cu-Ni) alloy .
- Interstitial Solid Solution: The solute atoms (which are much smaller than the solvent atoms) fit into the interstitial sites (spaces between atoms) in the solvent’s lattice. Example: Carbon (C) in Iron (Fe) in steel .
Compound Structure / Intermetallic Compound:
- Definition: In a compound structure, the alloying elements combine chemically in a fixed stoichiometric ratio to form a new phase. This new phase has its own distinct crystal structure and properties that are different from the constituent components.
- Characteristics:
- They have a fixed chemical formula, e.g., Mg₂Pb, CuAl₂.
- They are often very hard and brittle.
- The bonding can be metallic, ionic, or covalent in nature.
- Example: In the Lead-Magnesium system, the compound Mg₂Pb is formed.
Key Differences:
Property |
Solid Solution |
Compound Structure |
Crystal Structure |
The crystal structure of the solvent is maintained. | A new and different crystal structure is formed. |
Composition |
A wide range of compositions is possible. | Forms at a fixed stoichiometric ratio. |
Properties |
Properties vary gradually with composition. | Properties are distinctly different from the parent elements. |
Q2. (a) What are glassy alloys ? Compare their mechanical properties vis-a-vis normal metal alloys and ceramic oxide materials. Write any two applications of glassy alloys. (b) Explain the glide reflection and screw compound symmetry operations. What is the main difference between them ?
Ans. (a) Glassy Alloys: Glassy alloys, also known as amorphous metals or metallic glasses , are metals or alloys with a disordered, non-crystalline (amorphous) atomic structure, unlike conventional crystalline metals. They are produced by very rapid quenching from the molten state, which prevents the atoms from arranging themselves into an ordered lattice structure. Comparison of Mechanical Properties:
- vis-a-vis Normal Metal Alloys:
- Strength and Hardness: Glassy alloys possess much higher tensile strength and hardness compared to their normal crystalline alloy counterparts.
- Elasticity: They have a higher elastic strain limit , meaning they can be elastically deformed more before they break.
- Ductility: However, they are less ductile and exhibit brittle fracture, whereas normal alloys are more ductile and undergo plastic deformation.
- vis-a-vis Ceramic Oxide Materials:
- Toughness: Glassy alloys are significantly tougher and less brittle than ceramics. Ceramics fracture catastrophically, while metallic glasses can absorb some energy before failure.
- Strength: Ceramics are very strong in compression but weak in tension. Glassy alloys have high tensile strength.
- Hardness: Their hardness is lower than many ceramics, but they are harder than most metals.
Applications:
- Transformer Cores: Due to their low coercivity and high magnetic permeability, they are used to make energy-efficient transformers that minimize hysteresis losses.
- Sporting Goods: Their high strength-to-weight ratio makes them ideal for high-performance sports equipment such as golf clubs, tennis rackets, and baseball bats.
(b) Glide Reflection and Screw Compound Symmetry Operations:
Compound symmetry operations are a combination of two or more simple symmetry operations. Glide reflection and screw axis are two important compound symmetry operations found in crystal lattices.
Glide Reflection:
- It is a combination of a reflection and a translation .
- In the operation, all points in the crystal are first reflected across a plane (called the glide plane).
- Subsequently, the crystal is translated by a certain distance parallel to the same glide plane.
- This translation distance is a fraction (usually 1/2) of a lattice vector.
- Its symbol can be ‘a’, ‘b’, ‘c’, ‘n’, or ‘d’, indicating the direction and distance of the translation.
Screw Axis:
- It is a combination of a rotation and a translation .
- In the operation, the crystal is first rotated by a certain angle about an axis (the screw axis).
- Subsequently, the crystal is translated by a certain distance parallel to the same screw axis.
- It is denoted by n m , where ‘n’ is the order of rotation (2, 3, 4, or 6) and the translation is m/n times the lattice vector along the axis. For example, 2₁ is a 180° rotation followed by a translation of 1/2 a lattice vector parallel to the axis.
Main Difference:
The main difference between glide reflection and a screw axis lies in the
fundamental symmetry operations
that are combined with translation:
- Glide reflection combines a reflection with a translation parallel to the plane of reflection.
- Screw axis combines a rotation with a translation parallel to the axis of rotation.
In short, one involves reflection, while the other involves rotation.
Q3. (a) Calculate the mass of phosphorus required to make a silicon crystal with 5×10¹⁸ cm⁻³ doping density, if the melt load of silicon is 20 kg. The density of molten silicon is 2.5 g cm⁻³ and the atomic weight of phosphorus is 30.97 u. Assume that the segregation coefficient k₀ = 0.35 is constant throughout the growth process. (b) Describe with schematic diagram the set-up used for DC plasma sputter deposition system.
Ans. (a) Calculation of Mass of Phosphorus: Given:
- Doping density in solid crystal (C s ) = 5 x 10¹⁸ atoms/cm³
- Melt load of silicon (M Si ) = 20 kg = 20,000 g
- Density of molten silicon (ρ Si ) = 2.5 g/cm³
- Atomic weight of phosphorus (A P ) = 30.97 g/mol
- Segregation coefficient (k₀) = 0.35
- Avogadro’s number (N A ) = 6.023 x 10²³ atoms/mol
Steps for Calculation:
1. Find the volume of the silicon melt (V
Si
):
Volume = Mass / Density
V
Si
= M
Si
/ ρ
Si
= 20,000 g / 2.5 g/cm³ = 8,000 cm³
2. Find the required concentration of phosphorus in the melt (C l ): The segregation coefficient relates the concentration in the solid (C s ) to that in the liquid (melt) (C l ): k₀ = C s / C l Therefore, C l = C s / k₀ C l = (5 x 10¹⁸ atoms/cm³) / 0.35 ≈ 1.4286 x 10¹⁹ atoms/cm³
3. Find the total number of phosphorus atoms required in the melt (N P ): N P = C l × V Si N P = (1.4286 x 10¹⁹ atoms/cm³) × (8,000 cm³) N P ≈ 1.1429 x 10²³ atoms
4. Find the number of moles of phosphorus (n P ): n P = N P / N A n P = (1.1429 x 10²³ atoms) / (6.023 x 10²³ atoms/mol) ≈ 0.18975 mol
5. Find the required mass of phosphorus (M P ): M P = n P × A P M P = 0.18975 mol × 30.97 g/mol ≈ 5.876 g
Thus, the required mass of phosphorus is approximately 5.88 g .
(b) DC Plasma Sputter Deposition System: DC (Direct Current) plasma sputter deposition is a Physical Vapor Deposition (PVD) technique used to deposit thin films of materials onto various substrates. Setup and Components:
- Vacuum Chamber: A sealed chamber where the process takes place.
- Target: Acts as the cathode and is made of the material to be deposited. It is connected to the negative terminal of a DC power supply.
- Substrate Holder: Acts as the anode and holds the substrate onto which the film is to be deposited. It is usually grounded or connected to the positive terminal of the power supply.
- DC Power Supply: Provides a high voltage (hundreds to thousands of volts) between the target and substrate.
- Inert Gas Inlet: For introducing an inert gas, typically Argon (Ar), into the chamber at low pressure.
- Vacuum Pumping System: To evacuate the chamber to a high vacuum before the process.
Working Principle:
- Evacuation: The chamber is first pumped down to a high vacuum to remove impurities.
- Gas Inlet: Argon gas is then introduced into the chamber at a low pressure (typically 1-100 mTorr).
- Plasma Generation: The DC power supply is turned on, creating a strong electric field between the target (cathode) and the substrate (anode). This field ionizes the argon gas, creating a plasma —a mixture of Ar⁺ ions, electrons, and neutral Ar atoms. The plasma emits a characteristic glow (glow discharge).
- Sputtering: The positively charged Ar⁺ ions are accelerated towards the negative target and bombard it. This bombardment knocks out or “sputters” atoms from the target’s surface.
- Deposition: The sputtered target atoms travel through the chamber and condense onto the substrate’s surface, forming a thin film.
Schematic Diagram:
[A diagram showing a vacuum chamber, a cathode (target) and an anode (substrate) inside, a DC power supply, a gas inlet, and a vacuum pump. Ar⁺ ions are shown hitting the target, and target atoms are shown moving towards the substrate.]
Q4. Describe the classification of defects in solids based on their dimensionality.
Ans. Defects or imperfections in solids refer to any deviation from the perfect, periodic arrangement of atoms in a crystal lattice. These defects significantly influence the material’s properties, such as mechanical strength, electrical conductivity, and optical properties. Defects can be classified into four main categories based on their geometry or dimensionality: 1. Point Defects (0-Dimensional): These defects are localized to a single lattice site or an interstitial site between atoms. They are zero-dimensional as they are very small in all directions.
- Vacancy: The absence of an atom from a lattice site. Vacancies are present in all crystalline solids and their concentration increases with temperature.
- Interstitialcy: An atom that is located in an interstitial position between atoms, not on a normal lattice site. It can be a self-interstitial (an atom of the same element) or an impurity interstitial (a foreign atom).
- Substitutional Impurity: A foreign atom that sits on a lattice site in place of a host atom. For example, Boron in Silicon.
- Frenkel Defect: This is a vacancy-interstitial pair. An ion leaves its normal lattice site and moves to a nearby interstitial site. It is common in ionic solids where cations are much smaller than anions.
- Schottky Defect: In ionic crystals, this is a pair of vacancies of oppositely charged ions. This is necessary to maintain the electrical neutrality of the crystal.
2. Line Defects (1-Dimensional):
These are one-dimensional defects and are also called
dislocations
. They are a misalignment of atoms along a line through the crystal. They play a crucial role in plastic deformation.
- Edge Dislocation: Can be visualized as an extra half-plane of atoms inserted into the crystal lattice. The dislocation line is the edge of this half-plane. Its Burgers vector is perpendicular to the dislocation line.
- Screw Dislocation: Caused by a spiral ramp of atomic planes around the dislocation line. It is formed by shear stress. Its Burgers vector is parallel to the dislocation line.
- Mixed Dislocation: Most real dislocations have a character that is a mixture of both edge and screw types.
3. Planar Defects (2-Dimensional):
These are two-dimensional interfaces that separate different regions within the crystal.
- External Surfaces: The surface of the crystal is itself a defect, as the surface atoms do not have the full coordination number like the atoms in the bulk, leading to surface energy.
- Grain Boundaries: This is the interface between two grains or crystallites of different crystallographic orientations.
- Twin Boundaries: A special type of grain boundary across which the lattice on one side is a mirror image of the lattice on the other side.
- Stacking Faults: This is a disruption in the normal stacking sequence of atomic planes in FCC or HCP structures (e.g., the ABCABC sequence in FCC becomes ABCBCABC).
4. Volume Defects (3-Dimensional):
These are large-scale, three-dimensional defects.
- Precipitates: Clusters of a second phase within the host matrix.
- Voids: Aggregates of vacancies forming small empty spaces.
- Cracks: Large-scale separations within the material.
- Inclusions: Foreign particles trapped within the solid during processing.
Q5. (a) Explain any two different types of gradients giving rise to diffusion in solid crystals. (b) What are eutectic phase diagrams ? Draw a labelled schematic eutectic phase diagram of a binary alloy system, indicating the eutectic point, liquidus, solidus and solvus curves.
Ans. (a) Gradients Giving Rise to Diffusion: Diffusion is the net movement of atoms, ions, or molecules from a region of higher concentration to a region of lower concentration. This process is driven by a gradient. Two major types of gradients that cause diffusion are: 1. Concentration Gradient:
- This is the most common and significant driving force for diffusion. When the concentration of a particular atomic species is not uniform within a material, a concentration gradient (dC/dx) exists.
- Atoms naturally move from regions of high concentration to regions of low concentration to homogenize the composition and lower the overall Gibbs free energy of the system.
- This process is described by Fick’s First Law : J = -D (dC/dx) , where J is the diffusion flux, D is the diffusion coefficient, and dC/dx is the concentration gradient. The negative sign indicates that diffusion occurs down the concentration gradient.
- Example: The diffusion of carbon atoms into the surface of steel (carburizing) to harden the surface, or the diffusion of impurity atoms (like boron or phosphorus) into a silicon wafer to create a p-n junction.
2. Electric Field Gradient (Electromigration):
- When an electric field (voltage gradient) is applied across a conducting or ionic material, it exerts a force on charged particles, causing them to migrate. This phenomenon is called electromigration .
- In metals, the conduction electrons act as an “electron wind,” exchanging momentum with the positive metal ions and pushing them in the direction of electron flow. In ionic solids, the electric field acts directly on the ions (cations and anions).
- This effect is a major reliability problem in microelectronic devices, where high current densities can cause significant migration of atoms in the metal interconnects (e.g., aluminum or copper), leading to the formation of voids and short circuits.
- Example: Failure in thin-film aluminum interconnects in integrated circuits due to electromigration.
Other gradients include
Temperature Gradient (Soret effect)
and
Stress Gradient (Diffusional Creep)
.
(b) Eutectic Phase Diagrams: A eutectic phase diagram is a type of binary phase diagram that describes an alloy system in which two components are completely soluble in the liquid state but are partially or completely insoluble in the solid state. Its most important feature is the eutectic reaction , in which, at a specific composition, a single liquid phase transforms simultaneously into two different solid phases upon cooling. L ⇌ α + β (upon cooling / heating)
Key Features:
- Eutectic Point (E): This is the point on the phase diagram where the eutectic reaction occurs. It represents the lowest melting point for the alloy system. The temperature at this point is the eutectic temperature , and the composition is the eutectic composition .
- Liquidus Line: The line above which the alloy is completely in the liquid state.
- Solidus Line: The line below which the alloy is completely in the solid state. In a eutectic system, the solidus line is a horizontal line at the eutectic temperature.
- Solvus Line: This line indicates the limit of solid solubility of one component in another solid phase. It changes with temperature.
Labelled Schematic Eutectic Phase Diagram:
[A phase diagram is drawn for a binary system with components A and B. Temperature is on the Y-axis and composition in %B is on the X-axis.]
- Regions: The diagram is divided into various regions:
- L (Liquid): The region above the liquidus line.
- α: A solid solution with A as the solvent and B as the solute.
- β: A solid solution with B as the solvent and A as the solute.
- L + α: A two-phase region between the liquidus and solidus where liquid and α phase coexist.
- L + β: A two-phase region between the liquidus and solidus where liquid and β phase coexist.
- α + β: The two-phase region below the solidus line where both solid phases α and β coexist.
- Lines and Point:
- Liquidus lines: Two curves running downwards from the melting points of the pure components to the eutectic point.
- Solidus line: The horizontal line at the eutectic temperature.
- Solvus lines: Lines defining the boundaries of the single-phase α and β regions.
- Eutectic Point (E): The point where the liquidus lines meet and touch the solidus line.
Q6. (a) Draw a typical stress-strain curve of a material. Define various mechanical strengths and indicate corresponding deformation regions on this plot. (b) Define hardness of a material. Describe the method of Rockwell hardness test.
Ans. (a) Stress-Strain Curve: A stress-strain curve is a graph that shows the relationship between the stress (σ) applied to a material and the resulting strain (ε). It is fundamental to understanding the mechanical properties of a material. [A diagram of a stress-strain curve for a typical ductile metal is drawn, with Stress on the Y-axis and Strain on the X-axis.]
Deformation Regions:
- Elastic Deformation Region: This is the initial linear portion of the curve. In this region, deformation is temporary; the material returns to its original shape upon removal of the load. It obeys Hooke’s Law (σ = Eε), where E is the Young’s Modulus.
- Plastic Deformation Region: The region beyond the elastic limit. In this region, deformation is permanent. It begins with yielding, followed by strain hardening, and finally fracture.
Various Mechanical Strengths:
- Proportional Limit: The point on the curve up to which stress is directly proportional to strain.
- Elastic Limit: The maximum stress a material can withstand without any permanent deformation. It is very close to the proportional limit.
- Yield Strength (σ y ): The stress at which the material begins to deform plastically. For materials without a sharp yield point, it is often defined by the 0.2% offset method.
- Ultimate Tensile Strength (UTS, σ uts ): The maximum stress a material can withstand before it begins to neck. It is the highest point on the curve.
- Fracture Strength: The stress at which the material fractures. It may be lower than the UTS due to necking.
[All these points and regions are clearly labelled on the diagram.]
(b) Hardness and Rockwell Hardness Test: Hardness: Hardness is a measure of a material’s resistance to localized plastic deformation, such as scratching or indentation. It is not a fundamental property but a composite one, related to the material’s strength, elasticity, and plasticity.
Rockwell Hardness Test: This is one of the most widely used indentation hardness tests. Method:
- Principle: The test measures the permanent depth of indentation produced by a specific indenter under a specific load. The hardness number is inversely related to the depth of penetration—the deeper the impression, the softer the material.
- Procedure:
- Minor Load: First, a small preliminary load (typically 10 kgf) is applied. This seats the indenter and eliminates the effect of surface irregularities. The depth gauge is set to zero at this point.
- Major Load: Then, a larger major load is applied for a specified duration, causing the indenter to penetrate further into the material.
- Load Removal: The major load is removed, but the minor load is maintained. The material recovers elastically.
- Measurement: The difference in penetration depth between the minor and major load applications (the permanent depth) is measured. The Rockwell hardness number is read directly from a dial or digital display, which is calculated from this depth difference.
- Indentors and Scales: The test uses different indenters (e.g., a diamond cone or a steel ball) and loads, which define different Rockwell scales .
- Rockwell C-Scale (HRC): Used for hard materials (e.g., hardened steel). It uses a diamond cone indenter (‘Brale’) and a 150 kgf major load.
- Rockwell B-Scale (HRB): Used for softer materials (e.g., soft steels, brass). It uses a 1/16 inch diameter steel ball and a 100 kgf major load.
Q7. (a) Explain the process of galvanic corrosion with the help of Fe-Zn system as an example. (b) What are Dilute Magnetic Semiconductors (DMS) ? How are they formed ?
Ans. (a) Galvanic Corrosion: Galvanic corrosion is an electrochemical process in which one metal corrodes preferentially when it is in electrical contact with another, dissimilar metal, and both are immersed in a common electrolyte (e.g., water or moisture). Mechanism:
- It forms a galvanic cell .
- The more anodic (less noble/more reactive) metal acts as the anode and corrodes (is oxidized).
- The more cathodic (more noble/less reactive) metal acts as the cathode and is protected.
- The relative reactivity of metals is determined by the galvanic series.
Example of Fe-Zn System (Galvanized Steel):
Galvanized steel, which is iron (Fe) coated with a layer of zinc (Zn), is a classic example of protection through galvanic corrosion.
- Setup: Zinc (Zn) and iron (Fe) are in electrical contact. Moisture or rainwater acts as the electrolyte.
- Electrochemistry: In the galvanic series, zinc is more reactive (more anodic) than iron.
- Anodic Reaction (Oxidation): Zinc becomes the anode and preferentially corrodes, i.e., it loses its electrons. Anode: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
- Cathodic Reaction (Reduction): The electrons released by the zinc flow to the iron surface, which acts as the cathode. These electrons react with oxygen and water present in the electrolyte to form hydroxide ions. Cathode: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
- Result: The zinc coating gradually dissolves, but in doing so, it protects the underlying iron from rusting. This is called cathodic protection or sacrificial protection . Even if the zinc coating is scratched, the exposed iron is still protected as long as there is zinc nearby to act as the anode.
(b) Dilute Magnetic Semiconductors (DMS):
Definition:
Dilute Magnetic Semiconductors (DMS) are conventional non-magnetic semiconductors (e.g., GaAs, ZnO, TiO₂) in which a small fraction of the host cations are replaced by magnetic transition metal ions (e.g., Mn, Fe, Co). DMS materials combine the properties of both semiconductors (charge carrier control) and magnetic materials (spin control).
The main goal is to create a material that is both semiconducting and ferromagnetic at or above room temperature, which is crucial for an emerging field called
spintronics
. Spintronics aims to use the electron’s spin, in addition to its charge, to process information in devices.
Formation:
DMS are formed by incorporating magnetic ions into the host semiconductor lattice. It is crucial that the magnetic ions substitute the host atoms and do not form separate magnetic clusters.
- Epitaxial Growth:
- Molecular Beam Epitaxy (MBE): This is a high-vacuum technique that grows high-quality thin films by depositing atomic layers one by one. It allows precise control over composition and doping levels, making it a primary technique for DMS fabrication.
- Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD): This is another thin-film growth technique also used for making DMS.
- Ion Implantation: In this method, magnetic ions are implanted into the semiconductor wafer at high energy. This is followed by annealing to repair lattice damage and activate the dopants.
- Bulk Crystal Growth: Bulk growth techniques like Czochralski or Bridgman can be modified to incorporate magnetic dopants into the melt.
The ferromagnetism in these materials is often mediated by the charge carriers (holes or electrons) in the semiconductor, a mechanism known as
carrier-mediated exchange interaction
.
Q8. (a) What are Carbon Nanotubes (CNT) ? Explain their types. Write any two applications of CNTs. (b) What is organic electronics ? Explain the working of organic diode with the help of a suitable diagram.
Ans. (a) Carbon Nanotubes (CNTs): Carbon Nanotubes are allotropes of carbon with a cylindrical nanostructure. They can be imagined as a sheet of graphene (a single layer of carbon atoms in a hexagonal lattice) rolled up into a seamless cylinder. They are members of the fullerene structural family. CNTs possess exceptional properties, including extremely high tensile strength (stronger than any known material), high electrical and thermal conductivity, and unique optical properties. Types:
- Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs): These consist of a single cylinder of graphene. Their diameter is typically around 1-2 nm. Depending on their chirality —the angle at which the graphene sheet is rolled up—SWCNTs can be either metallic or semiconducting.
- Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs): These consist of multiple concentric cylinders of graphene nested inside one another. Their diameter ranges from a few nm to tens of nm. MWCNTs are generally metallic.
Applications:
- Composites: CNTs are used as reinforcing agents in polymers, metals, and ceramics to create materials that are exceptionally strong and lightweight. Examples: bicycle frames, car parts, and aerospace components.
- Electronics: Due to their high conductivity, CNTs are used in transparent conductive films (for touch screens and flexible displays), transistors (as channels in FETs), and interconnects in integrated circuits.
(b) Organic Electronics and Organic Diode:
Organic Electronics:
This is a field of electronics that utilizes carbon-based organic molecules or polymers as the active semiconducting materials in electronic devices. Compared to traditional silicon-based electronics, organic electronics offer advantages such as low cost, mechanical flexibility, large-area fabrication (e.g., printing techniques), and tunable properties through chemical synthesis.
Working of an Organic Diode (e.g., Organic Light-Emitting Diode – OLED):
An organic diode is a device that allows current to flow primarily in one direction, made of organic semiconductor layers. The OLED is a prime example.
Structure:
An OLED typically consists of the following layers deposited on a transparent substrate (like glass):
- Anode: A transparent conductor (e.g., ITO) that injects holes.
- Hole Transport Layer (HTL): An organic layer that facilitates the transport of holes.
- Emissive Layer (EML): The organic layer where light is generated.
- Electron Transport Layer (ETL): An organic layer that facilitates the transport of electrons.
- Cathode: A low work-function metal (e.g., Ca, Al) that injects electrons.
Working Mechanism (under forward bias):
- When a voltage is applied (positive to the anode, negative to the cathode), holes are injected from the anode into the HTL and electrons are injected from the cathode into the ETL.
- These holes and electrons migrate towards the center of the device through their respective transport layers.
- They meet and recombine within the emissive layer (EML) .
- This recombination forms an excited state called an exciton .
- When this exciton returns to its ground energy state, it releases energy in the form of a photon , which we see as light. The color of the emitted light depends on the type of organic material used in the EML.
Suitable Diagram:
[A layered diagram showing the Anode, HTL, EML, ETL, and Cathode on a substrate. Arrows indicate the injection and transport of electrons (e⁻) and holes (h⁺), which meet in the EML and recombine, emitting light (hν).]
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