வெம்மை வெண்ணொளியின் தேவையும், ஈரோப்பியம் கொண்டு செரிவூட்டப்பட்ட கால்சியம் ஸ்ராண்டியம் சிலிகேட் படிம உருவாக்கமும்:

முன்பார்வை:

ஏறத்தாழ கிமு 15000 ஆண்டுகளுக்கு முன்னிருந்தே மனித இனம் இருளை அகற்றி, ஒளியின் உதவியுடன் வாழவிரும்பியிருக்கிறது. அதன் வெளிப்பாடுதான் ஒளிவிளக்குகளின் தோற்றம். நெருப்பை கட்டுக்குள் கொண்டுவருவதற்கு கற்றுக்கொண்ட மனிதன், அதனை பயன்படுத்தி ஒளிவிளக்குகளையும் உருவாக்க துவங்கினான். பின்னர் அதுவே பல்வேறு தோற்றத்தை பெற்றது என்பது அனைவரும் அறிந்த ஒன்று. இப்படியான வளர்ச்சியில், அடுத்து உருப்பெற்றதுதான் டங்ஸ்டன் என்ற கனிமவேதித் தனிமத்தால் உருவாக்கப்பட்ட வெப்ப ஒளிரிகள். மின்சாரத்தை கண்டறிந்த பின், அறிவியல் மக்களை அடுத்த கட்ட வாழ்வுச் சூழலுக்கு இட்டுசென்றது. அப்படி 19 ஆம் நூற்றாண்டில் உருவான இந்த இரண்டாம் தலைமுறை வெப்பஒளிர் விளக்குகள், நம் மக்கள் அனைவரையும் வந்தடையும் முன்னரே பல தலைமுறை விளக்குகள் கண்டுபிடிக்கப்பட்டு உலகை கடந்து சென்றுவிட்டன. தற்பொழுதைய சூழலில், உலகத்தவர்களால் உற்றுநோக்கப்படுவது ஒளிஉமிழ் சில்களே (படம் 1 மற்றும் அட்டவணை 1). இவற்றிலிருந்து வெம்மையான வெண்ணொளியை கொண்டுவருவது, தற்பொழுதைய நிலையில் மிகப்பெரிய சவாலாக இருக்கிறது. இந்த ஒளிஉமிழ் சில்லில், 450 nm அலைநீளம் கொண்ட ஒளியை உறிஞ்சு மஞ்சளாய் மாற்றி உமிழும் நிறமாற்றியை பொருத்தி வெண்ணொளியை உருவாக்கிவிட்டார்கள். ஆனால் அவ்வெண்ணொளி வெம்மையாய் அமையாமல் தண்மையாய் இருப்பதே இதன் மிகப்பெரிய இடையூறு.

அட்டவணை 1: ஒளிரிகளின் வளர்ச்சியும் அதன் காலமும்.

ஒளிரிகளின் வளர்ச்சி	திறன்	காலம்
தீபவிளக்குகள்	0.1 lm/W	கிமு ~ 15000
வெப்பஒளிரிகள்	16 lm/W	19ஆம் நூற்றாண்டு
உமிழ் ஒளிரிகள்	70 lm/W	20ஆம் நூற்றாண்டு
ஒளி உமிழ்சில்லு	300 lm/W	21ஆம் நூற்றாண்டு

படம் 1: ஒளிரிகளின் வளர்ச்சி. (அ) தீபவிளக்கு, (ஆ) வெப்பஒளிரி, (இ) உமிழ் ஒளிரி, (ஈ) ஒளி உமிழ்சில்லு.

ஏன், வெண்ணொளி தண்மையாய் அன்றி வெம்மையாய் அமையவேண்டும்:

எளிதாய், வெண்ணொளியை பலவழிகளில் பெறலாம் (படம் 2). மஞ்சள் நிறத்தை நீல நிறத்துடன் சேர்க்கும் பொழுதோ அல்லது அனைத்து நிறங்களின் கலவையின் விளைவாகவோ பெறலாம். அதில் முக்கியமானது RGB, அதாவது சிவப்பு, பச்சை, நீலம் போன்ற நிறங்களின் குறிப்பிட்ட அளவிலான கலவை, வெண்ணொளியை கொடுக்கும். அதில் பச்சையுடன், நீலம் அதிகமாய் கலந்து, குறைந்த அளவு சிவப்பு அமையப்பெறும்பொழுது, அது தண்மையான வெண்ணொளியாக அமைந்துவிடுகிறது. இதுவே பச்சையுடன் குறைந்த நீலமும், அதிக சிவப்பும் அமையப்பெறும்பொழுது வெம்மையான வெண்ணொளி கிடைக்கிறது.

படம் 2: வெவ்வேறு வண்ணங்கள் கிடைக்கப்பெறுவதற்கான நிற சேர்மானம் (CIE diagram).

வெம்மையாய் அந்த வெண்ணொளியை அமைப்பதற்கான காரணம் அவ்வொளியை மனித உடல் எளிதில் ஏற்றுக்கொள்வதால்தான். இதற்கு பின்காரணியாய் அமைவது நாம் அன்றாடும் வாழ்ந்து பழகிய கதிரவன் தான். கதிரவனின் ஒளிகற்றைகளில் நிறங்கள் பல அமையப்பெற்றுள்ளன (படம் 3). இந்த பலவித நிறங்கள் இணைந்துதான் வெம்மையான சிவப்பு அதிகம் வெளிப்படும் வெண்ணொளி கதிரவனிடமிருந்து கிடைக்கிறது.

படம் 3: கதிரவ ஒளியில் அமையப்பெற்ற நிறமாலை. (அ) புற ஊதா நிறப்பகுதி, (ஆ) கண்பார்வைக்குட்ப்பட்ட நிறப்பகுதி, (இ) அகச்சிவப்பு நிறப்பகுதி, (ஈ) கதிரவன்.

 இந்த அறிவியலின் அடிப்படையில், வெம்மையான வெண்ணொளி உமிழும் சில்லு உருவாக்கத்தில் மிகப்பெரிய அளவில் ஆய்வுகள் மேற்கொள்ளப்பட்டுவருகின்றன.

Eu2+ பொதிக்கப்பட்ட CaSrSiO4 நிறமாற்றி உமிழும் படிமம்:

இந்த கட்டுரையில், Eu2+ பொதிக்கப்பட்ட CaSrSiO4 என்ற படிம உருவாக்கத்தினையும், அதனின் பண்பியல்புகளையுமே பார்க்க இருக்கிறோம். இந்த CaSrSiO4:Eu2+ நிறமாற்றி உமிழ்வானானது, கால்சியம் கார்பனேட், ஸ்ரேண்டியம் கார்பனேட், ஈரோப்பியம் குளோரைடு மற்றும் சிலிக்கா போன்ற மூலப்பொருட்களிலிருந்து, திடநிலை வினையின் மூலம் மீவெப்பநிலையில் உருவாக்கப்படுகிறது. இதில் முக்கியமாய், சிலிக்கா மூலக்கூறாக வெகுவாய் பயன்படுத்தகூடிய பொருட்கள் அல்லாது அதிநுண்துளை சிலிக்கா மூலக்கூறு பயன்படுத்தப்பட்டிருக்கிறது (சுட்டி 1). உருவாக்கப்பட்ட நிறமாற்றியின் படிம வடிவத்தை XRD (x-ray diffractometer) மூலமும், வெளிப்புற தோற்றத்தை SEM (scanning electron microscope) மூலமும், ஒளியியல் பண்புகளை PL (photo-luminescence spectrometer) மூலமும் கண்டறியப்பட்டுள்ளது.

உருவாக்கும் முறை:

(1-x): (1-y): 1: (x+y) என்ற விகிதத்தில் CaCO3, SrCO3, அதிநுண்துளை சிலிக்கா, EuCl3 போன்ற வேதிப்பொருட்களை, எளிதில் ஆவியாகும் பண்புடைய எத்தனாலில் கலக்கவேண்டும். அதனை சுழற்சியுடன் சரியாக 80 டிகிரி செல்சியசில் வெப்பமூட்டி 12 மணிநேரம் வைத்திருக்க வேண்டும். பின், எளிதில் ஆவியாகும் பண்புடைய எத்தனால் அனைத்தும் ஆவியாகி, திட கரைசல் மட்டுமே எஞ்சியிருக்கும். அந்த கரைசலை எடுத்து, சிறு உரலைக்கொண்டு நன்கு பொடித்து அதனை சிலிக்காவால் செய்யப்பட்ட, மீவெப்பநிலை தாங்கும் கோப்பையில் எடுத்துக்கொள்ளவேண்டும். இப்பொழுது அந்த பொடிக்கப்பட்ட கரைசலை 1200 டிகிரி செல்சியசில் 6 மணிநேரத்திற்கு, காற்றின் சூழலில் வெப்பப்படுத்த வேண்டும். குளிர்ந்த பின்னர், மீண்டும் அதனை பொடித்து நைட்ரஜன் (95%), ஹைட்ரஜன் (5%) சூழலில் 1200 டிகிரி செல்சியசில் 2 மணிநேரத்திற்கு வைக்கப்படவேண்டும். முதலில் காற்றின் சூழலில் வெப்பமேற்றபட்ட பொழுதே Eu3+ பொதிக்கப்பட்ட CaSrSiO4 படிமம் உருவாகிறது. பின், அதனை ஹைட்ரஜன் சூழலில் வைக்கப்படும்பொழுது CaSrSiO4 படிமத்தில் பொதிக்கப்பட்டுள்ள Eu3+, Eu2+ ஆக குறுக்கப்படும். கடைசியாய் CaSrSiO4:Eu2+ நிறமாற்றி உமிழும் படிமம் உருவாக்கப்பட்டுவிட்டது.

பண்பறிதல்:

இப்பொழுது உருவாக்கப்பட்ட படிமத்தில் உருவையும், வெளி வடிவையும் கண்டறிய வேண்டும். அதன் பொருட்டு முதலில் XRD கருவியில் படிமத்தை வைத்து 10 முதல் 80 டிகிரி வரையிலான 2 தீட்டா வில் x-கதிர்கள் கொண்டு தாக்கி அதிலிருந்து கிடைக்கும் தகவல்கள் சேமிக்கப்படுகின்றன. அந்த XRD தகவலானது படம் 4 ல் காட்டப்பட்டுள்ளது. மேலும், அதனுடன் சேர்த்து அதே படிமத்தில் நிலைபு தகவல்களும் எடுத்துக்கொள்ளப்பட்டுள்ளது. இப்பொழுது உருவாக்கப்பட்ட படிமத்தில் தகவல்களை பார்க்கும் பொழுது, அது முழுவதும் நிலைபு தகவல்களை ஒத்திருப்பது தெரிகிறது. எனவே, மிகவும் நேர்த்தியான CaSrSiO4 படிமம் உருவாக்கப்பட்டிருப்பது உறுதிசெய்யப்படுகிறது. மேலும், அந்த படிமத்தில் ஒளியை உரிந்து உமிழ்வதற்காக பொதிக்கப்பட்டிருக்கும் Eu2+  எந்த விதத்திலும் படிமத்தின் உருவை பாதிக்கவில்லை.

படம் 4. CaSrSiO4:Eu2+ படிமத்தின் XRD (அ) மற்றும் அதன் நிலைபு தகவல் (ஆ).

வெளிவடிவை தெரிந்துகொள்ளும் பொருட்டு, சிறு படிமத்தை எடுத்து அதனை SEM கருவியில் வைக்கப்பட்டு, எதிர்மின்னயணி கொண்டு தாக்கப்படுகிறது. அந்த முதல் நிலை எதிர்மின்னயணி தாக்கியதால் உருவான இரண்டாம் நிலை எதிர் மின்னயணிகளைக்கொண்டு படிமத்தின் வெளி வடிவம் கண்டறியப்படுகிறது. படம் 5 ல் காட்டப்பட்டுள்ள படி உருவாக்கப்பட்ட படிமத்தின் வெளி வடிவம் சற்று ஒத்த பரப்பையே கொண்டிருக்கிறது.

படம் 5. படிமத்தின் வெளிப்பரப்பை காண்பிக்கும் SEM படம்.

ஒளியியல் பண்புகள் (Optical Properties):

ஒரு நிறமாற்றிக்கு ஒளியியல் பண்பே மிகமுக்கியமான தேவையாக அமைகிறது. அதன்படி, அந்த உருவாக்கப்பட்ட புதிய CaSrSiO4:Eu2+ நிறமாற்றியின் ஒளி கிளர்வு மற்றும் உமிழும் பண்புகளை அறிய, நன்கு பொடித்துவிட்ட அதனை மிகவும் கவனத்துடன், மூடிய பிடிப்பினுள் வைத்து, அதனை PL கருவியில் பொருத்தப்படுகிறது. மூடிய பிடிப்பில், ஒரு பக்கம் ஒளி எளிதில் எந்த தடையுமின்றி நுழைந்து வெளியேறும் பொருட்டு, சிறப்பு கண்ணாடி பொருத்தப்பட்டுள்ளது. இப்பொழுது குறிப்பிட்ட அலைநீள வரிசை கொண்ட ஒளியானது அந்த நிறமாற்றி உமிழ்வானின் மீது பாய்ச்சப்படுகிறது. பாய்ச்சப்பட்ட அலைநீள வரிசையில் ஒரு குறிப்பிட்ட அலைநீளத்தில் அந்த நிறமாற்றி உமிழ்வானது கிளர்வுறுகிறது. கிளற்வுறுதலின் பின்னணியில், தாழ்நிலையிலுள்ள படிமத்தின் எதிர்மின்னயணியானது ஒளியினை உறிஞ்சி கிளர்வுற்று மேல் நிலைக்கு சென்றுவிடுகிறது, அந்த கிளர்வுற்ற நிலையானது, நிலையற்ற ஒன்று. எனவே, அந்த கிளர்வுற்ற எதிர்மின்னயணி, தான் பெற்ற ஆற்றலை தன் அருகில் இருக்கும் Eu2+ ற்கு கடத்திவிடுகிறது. அப்படியாய் கடத்தப்பட்ட ஆற்றல், தாழ்வு நிலையிலுள்ள Eu2+ அயணியிலுள்ள எதிர்மின்னயணியை கிளர்வுரவைக்கிறது.

இந்த Eu2+ அயணியின், கிளர்வுற்ற நிலையும் நிலையற்றது என்பதால் உடனே அவ்வாற்றலை உமிழ்ந்து, தாழ்வு நிலைக்கு வந்தடைந்து நிலைப்புதன்மையை பெறுகிறது. அவ்வாறு உமிழ்ந்த ஃபோட்டான் எனசொல்லப்படும் ஆற்றலே நமக்கு வேறொரு நிற ஒளியாக கிடைக்கப்பெறுகிறது.

அதாவது, குறைந்த அலைநீளத்தில் (அதிக ஆற்றல்) ஒரு ஒளியானது உறிஞ்சப்பட்டு, கிளர்வுற்று பின்னது உமிழா மாற்றத்திற்குட்பட்டு (non-radiational transition), பக்கத்து எதிர்மின்னயணியை கிளர்ந்தெழுப்பி, பின் அதே அயணி தாழ்வு நிலைக்கு வரும்பொழுது, அதிக அலைநீளத்தில் (குறைந்த ஆற்றல்) ஒளியானது உமிழப்படுகிறது. இப்படி ஒரு அலைநீளத்தில் ஒளியை உறிஞ்சி, மற்றொரு அலைநீளத்தில் உமிழ்வதால்தான் இதற்கு நிறமாற்றி உமிழ்வான் எனவும் பெயர்பெறுகிறது.

நம்முடைய CaSrSiO4:Eu2+ நிறமாற்றி உமிழும் படிமமானது, நீல நிற ஒளியினை உறிஞ்சி, மஞ்சள் நிற ஒளியாக உமிழ்கிறது (படம் 6). அதனின் நிற சேர்மங்களை ஆராயும் பொழுது, (0.42, 0.35) என்ற வகையில் பச்சை குறைவாகவும், சிவப்பு நிறம் கலந்த மஞ்சள் அதிகமாகவும் அமையப்பெற்றிருக்கிறது (படம் 2ல், பச்சை புள்ளியை கவனிக்க).

படம் 6. CaSrSiO4:Eu2+ நிறமாற்றி உமிழும் படிமத்தின், கிளர்வு (அ) மற்றும் உமிழும் பண்பு (ஆ).

இதன் மூலம் இந்த நிறமாற்றி உமிழ்வானானது, நீல ஒளியுடன் இணைந்து வெம்மையான வெண்ணொளியை கொடுக்கவல்லது என்பது புலப்படுகிறது.

 படம் 7. நாம் உருவாக்கிய CaSrSiO4:Eu2+ படிமத்தின் உதவியுடன் செய்யப்பட்ட நீல உமிழ் சில்லு, வெம்மையான வெண்ணொளி நல்குவதை பார்க்கலாம்.

ஆய்வின் புரிதல்:

மேற்கண்டவற்றின் மூலம் நாம் கீழ்வாறான புரிதலுக்கு உட்படலாம்,

• உலகில் முதன்முறையாக அதிநுண் துளை சிலிக்கா பொருளின் உதவி கொண்டு CaSrSiO4:Eu2+ என்ற நிறமாற்றி உமிழும் படிமம் உருவாக்கப்பட்டுள்ளது,
• அந்நிறமாற்றி உமிழ்வானின் படிம உருவம், அதனின் நிலைவு படிம தகவலை ஒத்திருப்பது உறுதிசெய்யப்படுகிறது,
• அதன் வெளித்தோற்றமும் மிகவும் ஒருங்கே அமையப்பெற்றுள்ளது,
• அதனின் ஒளி உமிழ்வு தன்மை மிகவும் சிறப்பு வாய்ந்ததாய் அமைவதோடு மட்டுமல்லாது, வெம்மையான வெண்ணொளியை, நீல நிறத்துடன் இணைந்து கொடுக்கும் சிறப்பையும் பெற்றிருக்கிறது,

சுட்டிகள்:

1. http://arivu-iyaltamizh.blogspot.kr/2014/11/porous-materials-mesoporous-materials.html

2. http://arivu-iyaltamizh.blogspot.kr/2014/10/blog-post.html

3. http://arivu-iyaltamizh.blogspot.kr/2014/08/led.html

4. http://arivu-iyaltamizh.blogspot.kr/2014/08/blog-post.html

5. http://arivu-iyaltamizh.blogspot.kr/2014/12/blog-post.html

6. S Gandhi, K Thandavan, BJ Kwon, HJ Woo, SS Yi, JH Jeong,  KW Jang, DS Shin. Regulation of Phosphor's Color Gamut Area Using Mesoporous Silicate Source—A New Paradigm for the Solid‐State Lighting Segment. Journal of the American Ceramic Society 2015, DOI: 10.1111/jace.13494.

7. S Gandhi, K Thandavan, BJ Kwon,  HJ Woo,   CH Kim,   SS Yi,  JH Jeong,  KW Jang, DS Shin. Highly efficient warm white light emitting Eu2+ activated silicate host: Another fabulous work of mesoporous silica. Journal of Materials Chemistry C 2014, DOI:  10.1039/C4TC00711E.

   

சக்திவேல்

https://sites.google.com/site/sakthivelgandhi/home