Surface properties of transition metal oxides
ট্রানজিশন মেটাল অক্সাইড হল রূপান্তরিত ধাতুর সাথে আবদ্ধ অক্সিজেন পরমাণু দ্বারা গঠিত যৌগ। এগুলি সাধারণত তাদের অনুঘটক ক্রিয়াকলাপ এবং অর্ধপরিবাহী বৈশিষ্ট্যের জন্য ব্যবহৃত হয়। ট্রানজিশন ধাতব অক্সাইডগুলি প্রায়শই রঙ এবং প্লাস্টিকগুলিতে রঞ্জক হিসাবে ব্যবহৃত হয়, বিশেষত টাইটানিয়াম ডাই অক্সাইড। রূপান্তর ধাতব অক্সাইডগুলির বিভিন্ন ধরনের পৃষ্ঠ কাঠামো রয়েছে যা এই যৌগগুলির পৃষ্ঠ শক্তিকে প্রভাবিত করে এবং তাদের রাসায়নিক বৈশিষ্ট্যগুলিকে প্রভাবিত করে। ধাতব অক্সাইডের পৃষ্ঠে উপস্থিত পরমাণুর আপেক্ষিক অম্লতা এবং ক্ষারতা ধাতব ক্যাটায়ন এবং অক্সিজেন অ্যানায়নের সমন্বয় দ্বারাও প্রভাবিত হয়, যা এই যৌগগুলির অনুঘটক বৈশিষ্ট্যগুলিকে পরিবর্তন করে। এই কারণে, রূপান্তরিত ধাতব অক্সাইডের কাঠামোগত ত্রুটিগুলি তাদের অনুঘটক বৈশিষ্ট্যগুলিকে ব্যাপকভাবে প্রভাবিত করে। ধাতব অক্সাইডের পৃষ্ঠের অ্যাসিডিক এবং মৌলিক স্থানগুলি সাধারণত অন্যান্য কৌশলগুলির মধ্যে ইনফ্রারেড স্পেকট্রোস্কোপি, ক্যালোরিমেট্রি দ্বারা চিহ্নিত করা হয়। ট্রানজিশন ধাতব অক্সাইডগুলি ফটো-অ্যাসিস্টেড অ্যাডসর্পশন এবং ডিসর্পশনের মধ্য দিয়েও যেতে পারে যা তাদের বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা পরিবর্তন করে। এই যৌগগুলির আরও গবেষণা করা বৈশিষ্ট্যগুলির মধ্যে একটি হল বৈদ্যুতিন চৌম্বকীয় বিকিরণের প্রতি তাদের প্রতিক্রিয়া, যা তাদের রেডক্স প্রতিক্রিয়া, আইসোটোপ বিনিময় এবং বিশেষ পৃষ্ঠের জন্য দরকারী অনুঘটক করে তোলে। ভূপৃষ্ঠের কাঠামো এবং স্থায়িত্ব রূপান্তরিত ধাতব অক্সাইডের পৃষ্ঠ কাঠামো সম্পর্কে খুব কমই জানা যায়, তবে তাদের বাল্ক স্ফটিক কাঠামো ভালভাবে গবেষণা করা হয়। পৃষ্ঠের কাঠামো নির্ধারণের পদ্ধতিটি হল অক্সাইডগুলি আদর্শ স্ফটিক বলে ধরে নেওয়া, যেখানে পৃষ্ঠ সমতল সহ বাল্ক পারমাণবিক বিন্যাস বজায় রাখা হয়। বাল্ক স্ফটিক কাঠামোর সমতল বরাবর ফাটল দ্বারা পৃষ্ঠগুলি তৈরি করা হবে। যাইহোক, যখন একটি স্ফটিক একটি নির্দিষ্ট সমতল বরাবর বিভক্ত করা হয়, তখন পৃষ্ঠ আয়নগুলির অবস্থান বাল্ক কাঠামোর থেকে আলাদা হবে। নতুন তৈরি পৃষ্ঠগুলি পুনর্নির্মাণের মাধ্যমে সর্বাধিক তাপগতিবিদ্যার স্থিতিশীল পৃষ্ঠ পাওয়ার জন্য গিবস পৃষ্ঠের শক্তিকে হ্রাস করার প্রবণতা দেখাবে। এই পৃষ্ঠ কাঠামোগুলির স্থায়িত্ব পৃষ্ঠের মেরুতা, সমন্বয়মূলক অসম্পূর্ণতা এবং ত্রুটিপূর্ণ স্থানগুলির মাত্রা দ্বারা মূল্যায়ন করা হয়। বাল্ক কাঠামো অক্সাইড স্ফটিক কাঠামো অক্সিজেন অ্যানায়নগুলির একটি ক্লোজ-প্যাক অ্যারের উপর ভিত্তি করে তৈরি, যার মধ্যে ধাতব ক্যাটায়নগুলি ইন্টারস্টিশিয়াল সাইটগুলি দখল করে। ক্লোজ-প্যাকড অ্যারে, যেমন ফেস-সেন্টার্ড-কিউবিক (এফ. সি. সি) এবং হেক্সাগোনাল-ক্লোজ প্যাকড (এইচ. সি. পি), উভয়ই অষ্টতলকীয় এবং টেট্রাহেড্রাল ইন্টারস্টিস রয়েছে। মনোক্সাইড রূপান্তর ধাতব মনোক্সাইডের (এম. ও) প্রথম সারি থেকে টি. আই. ও থেকে নিও পর্যন্ত অনেক যৌগের একটি শিলা লবণ কাঠামো রয়েছে। শিলা লবণের কাঠামো একটি অক্সিজেন অ্যানায়ন এফ. সি. সি অ্যারেতে ক্যাটায়ন দিয়ে সমস্ত অষ্টতলকীয় স্থানগুলি পূরণ করে তৈরি করা হয়। ডাইঅক্সাইড বেশিরভাগ রূপান্তর ধাতব ডাইঅক্সাইডের (এম. ও. 2) রুটাইল কাঠামো রয়েছে, যা ডানদিকে দেখা যায়। এই স্টোইকিওমেট্রি-র উপাদানগুলি প্রথম সারির রূপান্তর ধাতুতে টিআই, সিআর, ভি এবং এমএন-এর জন্য এবং দ্বিতীয় সারিতে জেডআর থেকে পিডি-র জন্য বিদ্যমান। রুটাইল কাঠামোটি এইচসিপি অক্সিজেন অ্যানায়ন অ্যারের ক্যাটায়ন দিয়ে অক্টেহেড্রাল সাইটগুলির অর্ধেক পূরণ করে তৈরি করা হয়। কয়েকটি রূপান্তর ধাতু একটি অক্সাইডে + 6 জারণ অবস্থা অর্জন করতে পারে, তাই স্টোইকিওমেট্রি এমও3 সহ অক্সাইডগুলি বিরল। বাইনারি অক্সাইডের কাঠামো ধাতু ও অক্সাইড আয়নগুলির আপেক্ষিক আকার এবং একটি ঘনিষ্ঠ প্যাকড অক্সাইড জালিতে ছিদ্র পূরণের ভিত্তিতে পূর্বাভাস দেওয়া যেতে পারে। তবে, ত্রিকোণাকার অক্সাইডের জন্য কাঠামোর ভবিষ্যদ্বাণী করা আরও কঠিন। একটি অক্সাইডে দুই বা ততোধিক ধাতুর সংমিশ্রণ অনেক কাঠামোগত সম্ভাবনা তৈরি করে। এছাড়াও, দুটি উপাদানের অনুপাত এবং তাদের জারণ অবস্থার পরিবর্তন করে টার্নারি অক্সাইডের স্টোইকিওমেট্রি পরিবর্তন করা যেতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, স্ট্রনশিয়াম এবং ভ্যানেডিয়ামের মধ্যে এসআরভি2ও6, এসআর2ভি2ও5, এসআরভিও3 এবং এসআর2ভিও4 সহ কমপক্ষে কুড়িটি টার্নারি অক্সাইড পর্যায় গঠিত হয়। ত্রয়ী এবং আরও জটিল অক্সাইডের কাঠামোগত রসায়ন একটি বিস্তৃত বিষয়, তবে কয়েকটি কাঠামো রয়েছে যা ত্রয়ী অক্সাইড দ্বারা ব্যাপকভাবে গৃহীত হয়, যেমন পেরোভস্কাইট কাঠামো। পেরোভস্কাইট কাঠামো পেরোভস্কাইট কাঠামো, এবিও3, হল সবচেয়ে বিস্তৃত ত্রয়ী পর্যায়। একটি বড় (এ) এবং একটি ছোট ক্যাটায়ন (বি) দিয়ে গঠিত ত্রিকোণাকার অক্সাইডের জন্য পেরোভস্কাইট কাঠামো প্রায়শই পাওয়া যায়। এই কাঠামোতে, বি ক্যাটায়নগুলির একটি সাধারণ ঘন বিন্যাস রয়েছে, যার মধ্যে এ ক্যাটায়নগুলি ঘনক্ষেত্রের কেন্দ্রস্থল দখল করে এবং অক্সাইড পরমাণুগুলি সাধারণ ঘনক্ষেত্রের 12টি প্রান্তের কেন্দ্রে অবস্থিত। যেহেতু রূপান্তর ধাতব অক্সাইডের পৃষ্ঠ গিবস শক্তি সম্পর্কে খুব কমই জানা যায়, তাই বিভিন্ন পৃষ্ঠ কাঠামোর স্থিতিশীলতার তুলনা করতে পৃষ্ঠের মেরুতা এবং একটি পৃষ্ঠ ক্যাটায়নের সমন্বয়মূলক অসম্পূর্ণতার মাত্রা ব্যবহার করা হয়। এছাড়াও, ত্রুটিযুক্ত স্থানগুলি পৃষ্ঠের স্থায়িত্বের উপর বিশাল প্রভাব ফেলতে পারে। পৃষ্ঠের মেরুতা যখন একটি বাইনারি অক্সাইডের স্ফটিক দুটি নতুন পৃষ্ঠ তৈরি করার জন্য বিভক্ত করা হয়, তখন প্রতিটি কঠিন পদার্থের আধান নিরপেক্ষ থাকে। যাইহোক, দুটি নতুন তৈরি পৃষ্ঠের কাঠামো একই হতে পারে বা নাও হতে পারে। যদি কাঠামোগুলি অভিন্ন হয়, তবে পৃষ্ঠটি দ্বিমেরুহীন হবে এবং একটি অ-মেরু পৃষ্ঠ হিসাবে বিবেচিত হবে। যদি কাঠামোগুলি ভিন্ন হয়, তবে পৃষ্ঠের একটি শক্তিশালী দ্বিমেরু থাকবে এবং এটি একটি মেরু পৃষ্ঠ হিসাবে বিবেচিত হবে। অ-মেরু পৃষ্ঠের উদাহরণগুলির মধ্যে রয়েছে শিলা লবণ (100) পৃষ্ঠ, রুটাইল (100), (110) এবং (001) পৃষ্ঠ এবং পারভোস্কাইট (100) পৃষ্ঠ। মেরু পৃষ্ঠের একটি উদাহরণ হল শিলা-লবণ (111) পৃষ্ঠ। সাধারণভাবে, একটি মেরু পৃষ্ঠ একটি অ-মেরু পৃষ্ঠের তুলনায় কম স্থিতিশীল কারণ একটি দ্বিমেরু মুহূর্ত পৃষ্ঠ গিবস শক্তি বৃদ্ধি করে। এছাড়াও, অক্সিজেন মেরু পৃষ্ঠগুলি ধাতব মেরু পৃষ্ঠগুলির তুলনায় বেশি স্থিতিশীল কারণ অক্সিজেন আয়নগুলি আরও মেরুকরণযোগ্য, যা পৃষ্ঠের শক্তি হ্রাস করে। একটি পৃষ্ঠ ক্যাটায়নের সমন্বিত অসম্পূর্ণতার মাত্রা একটি পৃষ্ঠ ক্যাটায়নের সমন্বিত অসম্পূর্ণতার মাত্রা একটি পৃষ্ঠ গঠনের জন্য ক্যাটায়নের সাথে জড়িত বন্ধনের সংখ্যা পরিমাপ করে। সমন্বয়মূলক অসম্পূর্ণতার মাত্রা বাড়ার সাথে সাথে আরও বন্ধন ভেঙে যায় এবং ধাতব ক্যাটায়ন অস্থিতিশীল হয়ে পড়ে। ক্যাটায়নটির অস্থিতিশীলতা পৃষ্ঠের গিবস শক্তি বৃদ্ধি করে, যা সামগ্রিক স্থিতিশীলতা হ্রাস করে। উদাহরণস্বরূপ, রুটাইল (110) পৃষ্ঠটি রুটাইল (100) এবং (001) পৃষ্ঠের তুলনায় বেশি স্থিতিশীল কারণ এতে সমন্বয়মূলক অসম্পূর্ণতার মাত্রা কম থাকে। ত্রুটিযুক্ত স্থানগুলি ধাতব অক্সাইড পৃষ্ঠের স্থিতিশীলতায় হস্তক্ষেপ করতে পারে, তাই এই স্থানগুলি নিয়ন্ত্রণের পদ্ধতিগুলি সনাক্ত করা এবং নির্ধারণ করা গুরুত্বপূর্ণ। অক্সাইডগুলি প্রচুর বিন্দু ত্রুটির স্থান প্রদর্শন করে। শিলা লবণের পৃষ্ঠে, অক্সিজেন এবং ধাতব ক্যাটায়ন শূন্যপদগুলি সবচেয়ে সাধারণ বিন্দু ত্রুটি। শূন্যপদগুলি ইলেকট্রন বোমাবর্ষণ এবং অত্যন্ত উচ্চ তাপমাত্রায় অ্যানিলিং দ্বারা উত্পাদিত হয়। যাইহোক, অক্সিজেন শূন্যপদগুলি আরও সাধারণ এবং ধাতব ক্যাটায়ন শূন্যপদের তুলনায় বেশি প্রভাব ফেলে। অক্সিজেন শূন্যপদগুলি পৃষ্ঠের ক্যাটায়নগুলির মধ্যে হ্রাস ঘটায়, যা বৈদ্যুতিন শক্তির স্তরকে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রভাবিত করে। ধাপ এবং কিঙ্ক হল আরও দুটি ত্রুটি যা শিলা-লবণের পৃষ্ঠকে প্রভাবিত করে। এই কাঠামোগত ত্রুটিগুলি সংলগ্ন চারটি পৃষ্ঠ ক্যাটায়নগুলির সমন্বয় পরিবেশকে 5 থেকে 4-এ হ্রাস করে। রুটাইল পৃষ্ঠগুলিতে, সবচেয়ে সাধারণ ধরনের ত্রুটি হল অক্সিজেন শূন্যপদ। দুই ধরনের অক্সিজেন শূন্যপদ রয়েছে, যা হয় একটি ব্রিজিং O2-আয়ন অপসারণ বা একটি ইনপ্লেন O2-আয়ন অপসারণের ফলে হয়। এই দুটিই পৃষ্ঠের ক্যাটায়নগুলির সমন্বয় হ্রাস করবে। পৃষ্ঠতলের অম্লতা/ক্ষারত্ব কঠিন পদার্থে অম্ল/ক্ষার তত্ত্বের সম্প্রসারণ ধাতব অক্সাইডের পৃষ্ঠটি অম্ল-ক্ষার কেন্দ্রগুলির ক্রমযুক্ত অ্যারে নিয়ে গঠিত। ক্যাটিয়ানিক ধাতব কেন্দ্রগুলি লুইস অ্যাসিড সাইট হিসাবে কাজ করে এবং অ্যানায়োনিক অক্সিজেন কেন্দ্রগুলি লুইস বেস হিসাবে কাজ করে। সারফেস হাইড্রক্সিল গ্রুপগুলি ব্রনস্টেড অ্যাসিড বা বেস সাইট হিসাবে কাজ করতে পারে কারণ তারা একটি প্রোটন ত্যাগ করতে বা গ্রহণ করতে পারে। বেশিরভাগ ধাতব অক্সাইডের পৃষ্ঠ কিছুটা হলেও স্বাভাবিক অবস্থায় হাইড্রোক্সিলেটেড থাকবে যখন জলীয় বাষ্প উপস্থিত থাকবে। লুইস এবং ব্রনস্টেড অ্যাসিড-বেস সাইটগুলির শক্তি এবং পরিমাণ অনেক ধাতব অক্সাইডের অনুঘটক ক্রিয়াকলাপ নির্ধারণ করবে। এই কারণে পৃষ্ঠের অ্যাসিড-ক্ষার স্থানগুলির শক্তি, ঘনত্ব এবং বিতরণের বৈশিষ্ট্যের জন্য মানক পদ্ধতিগুলি বিকাশের একটি বড় প্রয়োজন রয়েছে। লুইস অ্যাসিড-বেস তত্ত্ব এবং ব্রনস্টেড-লরি অ্যাসিড-বেস তত্ত্বের ধারণাগুলি পৃষ্ঠের ক্ষেত্রে প্রয়োগ করা যেতে পারে, তবে এমন কোনও সাধারণ তত্ত্ব নেই যা পৃষ্ঠের অম্লতা বা ক্ষারতা নির্ধারণ করতে কাজ করে। ব্রনস্টেড অ্যাসিড বেস তত্ত্বের গুণগত চিকিৎসা সমজাতীয় সিস্টেমে পৃথক অণুগুলির মধ্যে অ্যাসিড-বেস প্রতিক্রিয়াগুলির তাপগতিবিদ্যার ভারসাম্য ধ্রুবকের (কে. এ) উপর ভিত্তি করে। এই চিকিৎসার জন্য বিক্রিয়াকারী এবং পণ্যগুলির ভারসাম্য ঘনত্ব পরিমাপ করা প্রয়োজন। দুটি পর্যায়ের উপস্থিতি কঠিন পদার্থের পরিমাণগত অ্যাসিড-ক্ষার নির্ধারণের জন্যও একটি সমস্যা প্রদান করে। যখন কোনও অ্যাসিড বা ক্ষার অক্সাইড পৃষ্ঠে শোষিত হয় তখন এটি পার্শ্ববর্তী অ্যাসিড-ক্ষার স্থানগুলিকে বিঘ্নিত করে। এই বিশৃঙ্খলা অনিবার্যভাবে পৃষ্ঠের শিথিলতাকে প্রভাবিত করবে এবং পৃষ্ঠে অ্যাসিড-ক্ষার বিক্রিয়া করা অসম্ভব করে তুলবে যা শুধুমাত্র একটি পৃষ্ঠের সাইটকে জড়িত করে। ধাতব অক্সাইডের জন্য অম্লতা এবং ক্ষারতা ধাতব আয়নগুলির আধান এবং ব্যাসার্ধের পাশাপাশি ধাতব অক্সিজেন বন্ধনের চরিত্রের উপর নির্ভর করে। অক্সিজেন এবং ধাতুর মধ্যে বন্ধন ধাতব ক্যাটায়ন এবং অক্সিজেন অ্যানায়নের সমন্বয়ের পাশাপাশি ধাতব ডি-অরবিটালের ভরাট দ্বারা প্রভাবিত হয়। উন্মুক্ত মুখ এবং পৃষ্ঠ শিথিলকরণ দ্বারা পৃষ্ঠের সমন্বয় নিয়ন্ত্রিত হয়। কাঠামোগত ত্রুটিগুলি অম্লতা বা ক্ষারত্বের ক্ষেত্রে ব্যাপক অবদান রাখতে পারে কারণ অক্সিজেন বা ধাতব আয়ন শূন্যস্থান থেকে উচ্চ অসম্পূর্ণতার স্থানগুলি ঘটতে পারে। পৃষ্ঠের অম্লতা/ক্ষারতা নির্দেশক পদ্ধতি নির্ধারণের পদ্ধতিগুলি একটি সূচক অণুর শোষণ প্রথমে হ্যামেট দ্বারা কঠিন অ্যাসিড এবং ক্ষারের শক্তি ক্রমবদ্ধ করার জন্য প্রস্তাব করা হয়েছিল। এই কৌশলটি শুধুমাত্র ধাতব অক্সাইডের উপরিতলের ব্রনস্টেড স্থানগুলির ক্ষেত্রে প্রযোজ্য। হ্যামেটের মতে, একটি ব্রনস্টেড পৃষ্ঠের শক্তি হ্যামেট অ্যাসিডিটি ফাংশন দ্বারা নির্ধারণ করা যেতে পারে, যেখানে বি হল মৌলিক সূচক অণু। ব্রনস্টেড অ্যাসিড সাইটগুলির ঘনত্ব একটি অ্যাসিড/ক্ষার সূচক উপস্থিত অক্সাইডের সাসপেনশনকে টাইট্রেট করে নির্ধারণ করা যেতে পারে। তবে, এই পদ্ধতিটি অনেক সমস্যার বিষয়। উদাহরণস্বরূপ, শুধুমাত্র ব্রনস্টেড অ্যাসিড সাইটগুলি এই পদ্ধতির মাধ্যমে পরিমাপ করা যেতে পারে। ধাতব অক্সাইড পৃষ্ঠে একই সময়ে ব্রনস্টেড এবং লুইস উভয় অ্যাসিড সাইট উপস্থিত থাকতে পারে যা অক্সাইড এবং সূচকের মধ্যে একটি অনির্দিষ্ট মিথস্ক্রিয়ার দিকে পরিচালিত করে। এছাড়াও, তত্ত্ব বিভাগে বর্ণিত হিসাবে, সূচক অণুগুলির শোষণের উপর পার্শ্ববর্তী স্থানগুলির বিশৃঙ্খলা এই মডেলের অখণ্ডতার সাথে আপস করে। অধিশোষিত প্রোব অণুগুলির আইআর নির্ধারণ খুব দুর্বল মৌলিক বা অ্যাসিডিক প্রোব অণুর অধিশোষণ ব্রনস্টেড এবং লুইস অ্যাসিড-বেস সাইটগুলির একটি ছবি দিতে পারে। পৃষ্ঠের স্থান এবং অধিশোষিত অণুগুলির ইনফ্রারেড স্পেকট্রোস্কোপি তখন অধিশোষনের উপর কম্পন ফ্রিকোয়েন্সিগুলির পরিবর্তন পর্যবেক্ষণ করতে ব্যবহার করা যেতে পারে। একটি খুব দুর্বল অ্যাসিডিক প্রোব অণু পার্শ্ববর্তী স্থানগুলিকে বিরক্তিকর করার জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে যাতে পৃষ্ঠের অ্যাসিডিটি বা ক্ষারতার আরও সঠিক পরিমাপ পাওয়া যায়। অ্যামোনিয়া, পাইরিডিন, অ্যাসিটোনাইট্রাইল, কার্বন মনোক্সাইড এবং কার্বন ডাই অক্সাইড সহ বিভিন্ন ধরনের প্রোব অণু ব্যবহার করা যেতে পারে। ধাতব অক্সাইডের অ্যাসিড-ক্ষার বৈশিষ্ট্য বর্ণনা করার জন্য দুটি আশাব্যঞ্জক পদ্ধতি হল অধিশোষণ এনথালপি এবং তাপমাত্রা পরিকল্পিত অবশোষণের ক্যালরিমেট্রিক পরিমাপ। ক্ষারীয় বা অম্লীয় প্রোব অণুগুলির শোষণের তাপের পরিমাপ ধাতব অক্সাইড পৃষ্ঠের উপর অম্লীয় এবং ক্ষারীয় স্থানগুলির বিবরণ দিতে পারে। তাপমাত্রার পরিকল্পিত অবশোষণ একটি প্রোব অণু দিয়ে পৃষ্ঠকে পরিপূর্ণ করে এবং তাপমাত্রার একটি ফাংশন হিসাবে পৃষ্ঠ থেকে অবশোষিত পরিমাণ পরিমাপ করে অ্যাসিড-বেস বৈশিষ্ট্য সম্পর্কে তথ্য সরবরাহ করে। ক্যালোরিমেট্রিক পদ্ধতিটি শোষণের তাপ পরিমাপ করে অ্যাসিটেট বৈশিষ্ট্যগুলির একটি পরিমাণগত তাপগতিবিদ্যার স্কেল প্রদান করে। ক্যালোরিমেট্রিক পদ্ধতিগুলি মোট অম্লতা বা ক্ষারতার একটি পরিমাপ দেওয়ার জন্য বিবেচনা করা যেতে পারে কারণ এটি লুইস বা ব্রনস্টেড সাইটগুলির মধ্যে বৈষম্যমূলক নয়। যাইহোক, যখন আইআর স্পেকট্রোস্কোপির মতো অন্যান্য কৌশলগুলির সাথে শোষণের ডিফারেনশিয়াল হিটগুলি একত্রিত করা হয়, তখন অ্যাসিড-বেস শোষণ সাইটগুলির প্রকৃতি এবং বিতরণ পাওয়া যায়। তাপমাত্রার উপর নির্ভর করে মনোক্লিনিক, টেট্রাগোনাল বা কিউবিক স্ফটিক ব্যবস্থায় পৃষ্ঠের অম্লতা/ক্ষার ZrO2 জিরকোনিয়ার কেস স্টাডি বিদ্যমান। অক্সাইডের পৃষ্ঠের অম্লতা এবং ক্ষারতা স্ফটিক কাঠামো এবং পৃষ্ঠের অভিযোজনের উপর নির্ভর করে। জিরকোনিয়ার পৃষ্ঠে হাইড্রক্সিল গ্রুপ রয়েছে, যা ব্রনস্টেড অ্যাসিড বা ক্ষার হিসাবে কাজ করতে পারে এবং সমন্বয়-অসম্পৃক্ত Zr4 + O2-অ্যাসিড ক্ষার জোড়া যা এর সামগ্রিক অ্যাসিড-ক্ষার বৈশিষ্ট্যগুলিতে অবদান রাখে। শোষণ গবেষণায় দেখা গেছে যে মোনোক্লিনিক জিরকোনিয়া টেট্রাগোনালের চেয়ে বেশি মৌলিক, কারণ এটি সিও2-এর সাথে আরও শক্তিশালী বন্ধন তৈরি করে। সিও-এর শোষণ দেখায় যে টেট্রাগোনাল পর্যায়ে মনোক্লিনিক পর্যায়ের তুলনায় বেশি অ্যাসিডিক লুইস অ্যাসিড সাইট রয়েছে, তবে এর লুইস অ্যাসিড সাইটগুলির কম ঘনত্ব রয়েছে। আলোক-সহায়ক প্রক্রিয়াগুলি বৈদ্যুতিন ব্যান্ড কাঠামো রূপান্তর ধাতব অক্সাইডগুলির বাল্ক বৈদ্যুতিন ব্যান্ড কাঠামো অক্সিজেন পরমাণু থেকে 2p অরবিটালগুলি ওভারল্যাপ করে, নিম্ন শক্তি, উচ্চ জনবহুল ভ্যালেন্স ব্যান্ড গঠন করে, যেখানে বিরল জনবহুল, উচ্চ শক্তি পরিবহন ব্যান্ডটি রূপান্তর ধাতব ক্যাটায়নের ওভারল্যাপিং ডি অরবিটালগুলি নিয়ে গঠিত। ধাতুর বিপরীতে, বৈদ্যুতিন অবস্থার একটি অবিচ্ছিন্ন ব্যান্ড থাকার কারণে, অর্ধপরিবাহীগুলির একটি ব্যান্ড ফাঁক থাকে যা পরিবহন ব্যান্ড/ভ্যালেন্স ব্যান্ডে পৃথক হওয়া ইলেক্ট্রন/গর্ত জোড়াগুলির পুনর্মিলনকে বাধা দেয়। এই ইলেক্ট্রন/গর্ত পৃথকীকরণের ন্যানোসেকেন্ড স্কেল জীবনকাল অর্ধপরিবাহী পৃষ্ঠে একটি অধিশোষিত প্রজাতির সাথে চার্জ স্থানান্তর ঘটতে দেয়। প্রজাতির হ্রাস শুরু করার জন্য একটি গ্রহণকারীর সম্ভাবনা অবশ্যই অর্ধপরিবাহীর পরিবাহী ব্যান্ড সম্ভাবনার চেয়ে বেশি ইতিবাচক হতে হবে। বিপরীতভাবে, প্রজাতির জারণ ঘটার জন্য দাতা প্রজাতির সম্ভাবনা অবশ্যই সেমিকন্ডাক্টরের ভ্যালেন্স ব্যান্ডের চেয়ে বেশি নেতিবাচক হতে হবে। একটি আধা-পরিবাহী ধাতব অক্সাইডের পৃষ্ঠের কাছাকাছি ভ্যালেন্স এবং পরিবহন ব্যান্ডগুলি উচ্চতর শক্তির হয়, যার ফলে ব্যান্ড শক্তি রেখাচিত্রে দেখানো ব্যান্ড শক্তির ঊর্ধ্বমুখী বাঁক হয়, যেমন ব্যান্ড ব্যবধানের চেয়ে বেশি শক্তির আলো দ্বারা ভ্যালেন্স ব্যান্ড থেকে পরিবহন ব্যান্ডে একটি ইলেক্ট্রনের প্রচারের ফলে ইলেকট্রনটি কঠিন বা পাল্টা বিদ্যুদ্বাহকের দিকে স্থানান্তরিত হয়, যখন ভ্যালেন্স ব্যান্ডে অবশিষ্ট গর্তটি পৃষ্ঠের দিকে চলে যায়। পৃষ্ঠের কাছাকাছি ছিদ্রগুলির বর্ধিত ঘনত্ব কঠিন পদার্থে ইলেক্ট্রন স্থানান্তরকে সহজতর করে, যেমন রেডক্স দম্পতি ডি-/ ডি-এর জারণের চিত্রে দেখানো উদাহরণ। কঠিন বিকিরণের বেশিরভাগ অংশ থেকে ইলেকট্রন অপসারণের কোনও পদ্ধতির অনুপস্থিতিতে ভ্যালেন্স ব্যান্ডে ছিদ্র তৈরি করে পরিবহন ব্যান্ডে ইলেকট্রনগুলিকে উত্তেজিত করা অব্যাহত থাকে। এর ফলে পৃষ্ঠের কাছাকাছি ব্যান্ড শক্তির ঊর্ধ্বমুখী বাঁক হ্রাস পায় এবং হ্রাস প্রতিক্রিয়াগুলির জন্য উত্তেজিত ইলেক্ট্রনের প্রাপ্যতা বৃদ্ধি পায়। নিম্নলিখিত সমীকরণগুলি বাল্ক ধাতুর জন্য ছিদ্র এবং ইলেকট্রনের পরিপ্রেক্ষিতে ভ্যালেন্স এবং পরিবহন ব্যান্ডের জনসংখ্যা বর্ণনা করতে কার্যকর। এটি বাল্ক ধাতব পরিবহন ব্যান্ডে ইলেকট্রনের ঘনত্ব, এবং বাল্ক ধাতব ভ্যালেন্স ব্যান্ডে গর্তের ঘনত্ব। Ec হল পরিবাহিতা ব্যান্ডের সর্বনিম্ন শক্তি, Ef হল ফার্মি শক্তি (ইলেকট্রনগুলির তড়িৎরাসায়ন শক্তি), EV হল ভ্যালেন্স ব্যান্ডের সর্বোচ্চ শক্তি, Nc হল পরিবাহিতা ব্যান্ডের (ধ্রুবক) একটি ইলেক্ট্রনের কার্যকর ভর এবং গতিশীলতা, এবং Nv হল একটি ভ্যালেন্স ব্যান্ড হোলের (ধ্রুবক) কার্যকর ভর এবং গতিশীলতা। যেখানে k হল বোল্টজম্যানের ধ্রুবক এবং T হল কেলভিনের পরম তাপমাত্রা। কোয়ান্টাম মেকানিক্সের বিশৃঙ্খলা তত্ত্বের ব্যবহার একটি বৈদ্যুতিন রূপান্তর ঘটার সম্ভাবনা গণনায় সহায়তা করতে পারে। সম্ভাব্যতা বিকিরণ ক্ষেত্রের প্রশস্ততার বর্গ, E0, এবং রূপান্তর দ্বিমেরু মুহুর্তের বর্গ |μif।-এর সাথে আনুপাতিক। আলোক অনুঘটক সংক্রান্ত ঘটনার মধ্য দিয়ে যাওয়া একটি আদর্শ ব্যবস্থার জন্য কোয়ান্টাম ফলন প্রতি ফোটন শোষিত হওয়ার ঘটনার সংখ্যা হিসাবে পরিমাপ করা হয়। কোয়ান্টাম ফলন নির্ধারণের ক্ষেত্রে সাধারণ ধারণাটি হল যে সমস্ত ফোটন অর্ধপরিবাহী পৃষ্ঠে শোষিত হয় এবং কোয়ান্টাম ফলনকে আপাত কোয়ান্টাম ফলন হিসাবে উল্লেখ করা হয়। কঠিন পৃষ্ঠ দ্বারা শোষিত প্রকৃত ফোটনগুলি পরিমাপ করতে অসুবিধার কারণে এই অনুমানটি প্রয়োজনীয়। কোয়ান্টাম ফলন, চার্জ স্থানান্তরের হার, কে. সি. টি এবং ইলেক্ট্রন/গর্ত পুনঃসংযোগের হার, কে. আর-এর মধ্যে সম্পর্ক নিম্নলিখিত সমীকরণ দ্বারা দেওয়া হয়েছে। রূপান্তরিত ধাতব অক্সাইড পৃষ্ঠে আলোকিত আণবিক রূপান্তর দুটি সাধারণ শ্রেণীতে সংগঠিত করা যেতে পারে। অধিশোষকের ফটোএক্সাইটেশন যা তারপর অনুঘটক স্তরের সাথে প্রতিক্রিয়া করে একটি অনুঘটক আলোক প্রতিক্রিয়া হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করা হয়। অনুঘটকের ফটোএক্সাইটেশন এবং তারপরে গ্রাউন্ড স্টেট রিঅ্যাক্ট্যান্টের সাথে অনুঘটকের মিথস্ক্রিয়াকে সংবেদনশীল আলোক প্রতিক্রিয়া হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করা হয়। ফটো-অ্যাসিস্টেড অ্যাডসর্পশন এবং ডিসর্পশন অ্যাডসর্পশন এবং ডিসর্পশন উভয়ই ট্রান্স মেটাল অক্সাইডের আলোর সংস্পর্শে প্রচার করা যেতে পারে, প্রধান প্রক্রিয়াটি পরীক্ষামূলক অবস্থার দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়। কম চাপে ঘরের তাপমাত্রায় টিআইও2 বা জেডএনও-এর আলোকসজ্জার মাধ্যমে অক্সিজেন শোষণের ফলে অক্সিজেন শোষণ হয়, অন্যদিকে উচ্চ চাপে আলোকসজ্জার ফলে ফটো-অ্যাসিস্টেড ডিসর্পশন হয়। উচ্চ তাপমাত্রায় বিপরীত প্রভাব দেখা যায়, নিম্ন চাপের ফলে অবশোষণ হয় এবং উচ্চ চাপ শোষণ ঘটায়। কেস এট আল। ZnO-তে NO-এর আলোক-সহায়ক রসায়নের একটি গবেষণা পরিচালনা করে দেখা গেছে যে অন্ধকার পরিস্থিতিতে ধাতব অক্সাইডে নগণ্য পরিমাণে NO শোষিত হয়েছিল, তবে আলোকসজ্জার অধীনে ZnO অপরিবর্তনীয়ভাবে NO শোষণ করে, তাদের নমুনা বিকিরণ বন্ধ হওয়ার পরে কোনও অবক্ষয় দেখায় না। ধাতব অক্সাইড পৃষ্ঠে যে প্রক্রিয়া দ্বারা শোষণ এবং অবশোষণ ঘটে তা কঠিন পৃষ্ঠের ছিদ্রগুলির ফটো জেনারেশনের সাথে সম্পর্কিত, যা একটি রূপান্তরিত ধাতব অক্সাইডের পৃষ্ঠে হাইড্রক্সিল গ্রুপ দ্বারা আটকা পড়েছে বলে মনে করা হয়। এই আটকে থাকা ছিদ্রগুলি আলোক-উত্তেজিত ইলেকট্রনগুলিকে রসায়নের জন্য উপলব্ধ হতে দেয়। উচ্চতর বা নিম্ন ভ্যালেন্সের একটি ক্যাটায়নের ডোপিং ধাতব অক্সাইডের বৈদ্যুতিন বৈশিষ্ট্য পরিবর্তন করতে পারে। উচ্চতর ভ্যালেন্স ক্যাটায়ন সহ ডোপিং সাধারণত এন-টাইপ আধা-পরিবাহিতা বৃদ্ধি করে, বা তার ফার্মি শক্তি বাড়ায়, যখন কম ভ্যালেন্স ক্যাটায়ন সহ ডোপিং ফার্মি শক্তির স্তরকে হ্রাস করে এবং ধাতব অক্সাইডের এন-টাইপ আধা-পরিবাহিতা হ্রাস করে। ডোপিং প্রক্রিয়াটি নির্দেশ করে যে বেশিরভাগ বাল্কের মধ্যে অভিজ্ঞ ট্রানজিশন ধাতব ক্যাটায়ন ব্যতীত অন্য একটি ক্যাটায়ন অর্ধপরিবাহীর স্ফটিক কাঠামোতে অন্তর্ভুক্ত করা হয়, হয় ক্যাটায়ন প্রতিস্থাপন করে, অথবা ম্যাট্রিক্সে অন্তর্বর্তীভাবে যোগ করে। লি-এর সাথে জেডএনও-এর ডোপিং অক্সিজেনের বৃহত্তর ফটো-শোষণের দিকে পরিচালিত করে, অন্যদিকে গা বা আল-এর সাথে ডোপিং অক্সিজেনের ফটো-শোষণকে দমন করে। ফটো-অ্যাডসর্পশনের প্রবণতা ফটো-অক্সিডেটিভ অনুঘটকের প্রবণতা অনুসরণ করে, যেমনটি টিওও2 এবং জেডএনও-এর উচ্চ মাত্রার ফটো-অক্সিডেটিভ অনুঘটক ক্রিয়াকলাপ দ্বারা দেখানো হয়েছে, যেখানে ভি2ও5-এর মতো অন্যান্য রূপান্তর উপাদানগুলি কোনও ফটো-অক্সিডেটিভ অনুঘটক প্রতিক্রিয়া দেখায় না পাশাপাশি অক্সিজেনের কোনও ফটো-অ্যাক্টিভেটেড অ্যাডসর্পশন দেখায় না। তরল-পর্যায় আলোক অনুঘটন আলোক অনুঘটন-এর সবচেয়ে উত্তেজনাপূর্ণ এবং সর্বাধিক অধ্যয়নরত ব্যবহারগুলির মধ্যে একটি হল জৈব পদার্থের আলোক-জারণ কারণ এটি পরিবেশগত দূষণমুক্তির ক্ষেত্রে প্রযোজ্য। কঠিন পৃষ্ঠের সাথে গ্যাস পর্যায়ের মিথস্ক্রিয়ার বিপরীতে, তরল কঠিন ইন্টারফেসের সাথে যুক্ত বিপুল সংখ্যক পরিবর্তনশীল (অর্থাৎ। দ্রবণের পিএইচ, আলোক অনুঘটকের ঘনত্ব, দ্রাবক প্রভাব, বিস্তারের হার ইত্যাদি) ধারাবাহিক পরীক্ষামূলক ফলাফল তৈরি করতে এই চলকগুলিকে নিয়ন্ত্রণ করার জন্য আরও বেশি যত্ন নেওয়ার আহ্বান জানানো হয়েছে। আধানযুক্ত প্রজাতিকে স্থিতিশীল করার সমাধানের ক্ষমতার কারণে আরও বেশি বৈচিত্র্যময় প্রতিক্রিয়া সম্ভব হয়, যার ফলে ধাতু থেকে একটি নিরপেক্ষ প্রজাতিতে একটি ইলেকট্রন যোগ করা সম্ভব হয় যা একটি অ্যানায়ন তৈরি করে যা আরও প্রতিক্রিয়া করতে পারে, অথবা একটি গর্ত একটি ইলেক্ট্রন অপসারণ করতে পারে, যা একটি ক্যাটায়ন তৈরি করে যা দ্রবণে আরও প্রতিক্রিয়া করে। জারণ দ্রবণ থেকে অধিশোষিত জৈব পদার্থের জারণের জন্য প্রস্তাবিত একটি প্রক্রিয়া হল পৃষ্ঠে স্থানান্তরিত হওয়া ভ্যালেন্স হোল দ্বারা হাইড্রক্সিল র্যাডিকেলের উৎপাদন এবং অধিশোষিত হাইড্রক্সিল গ্রুপের সাথে প্রতিক্রিয়া, যার ফলে একটি খুব শক্তিশালী জারণকারী র্যাডিকেল তৈরি হয়। হাইড্রক্সিলেটেড জারণ মধ্যস্থতাকারী এবং হাইড্রক্সিল র্যাডিকেলগুলির সনাক্তকরণ এই প্রস্তাবিত প্রক্রিয়াকে সমর্থন করে, তবে এটি ভ্যালেন্স হোল দ্বারা জৈব বিক্রিয়কের সরাসরি জারণের সম্ভাবনাকে অস্বীকার করে না কারণ উভয় ক্ষেত্রেই অনুরূপ মধ্যস্থতাকারী প্রত্যাশিত হবে। কিছু আলোক-জারণ প্রতিক্রিয়া নীচে দেখানো হয়েছে। হ্রাস আলোক হ্রাস ধাতব অক্সাইডের বর্ধিত ইলেক্ট্রন একটি গ্রহণকারী প্রজাতি দ্বারা গৃহীত হয়। নীচের সারণিতে দেখানো সিও2 হ্রাসের ক্ষেত্রে, জলীয় ব্যবস্থায় দ্রবীভূত অক্সিজেনের অনুপস্থিতি প্রোটন হ্রাস করে হাইড্রোজেন র্যাডিকেল গঠনের পক্ষে যা পরে সিও2-কে এইচসিওওএইচ-এ হ্রাস করে। তারপর এইচ. সি. ও. এইচ-কে আরও কমিয়ে এইচ. সি. ও. এইচ এবং জল করা যেতে পারে। আরও হ্রাস CH3-এর উৎপাদনের দিকে পরিচালিত করে যা CH4 বা C2H6 ইত্যাদি উৎপাদনের জন্য বিভিন্ন উপায়ে একত্রিত হতে পারে। গ্যাস-পর্যায় আলোক-অনুঘটন ধাতব অক্সাইডগুলি আলোক-সক্রিয়করণের মাধ্যমে গ্যাস পর্যায় প্রতিক্রিয়াগুলিকে অনুঘটক করার পাশাপাশি অনুঘটকের তাপীয় সক্রিয়করণে দক্ষতা অর্জন করে। হাইড্রোকার্বন, অ্যালকোহল, কার্বন মনোক্সাইড এবং অ্যামোনিয়ার জারণ ঘটে যখন ধাতব অক্সাইডের ব্যান্ড ফাঁকের চেয়ে বেশি শক্তির আলো দিয়ে উদ্দীপিত হয়। টিআইও2 এবং জেডএনও-তে হোমোফাসিক এবং হেটেরোফাসিক আলো-প্ররোচিত অক্সিজেন আইসোটোপ বিনিময়ও লক্ষ্য করা গেছে। হোমোফাসিক আইসোটোপ বিনিময় হল থেকে এবং এর উৎপাদন। হেটেরোফাসিক আইসোটোপ বিনিময় হল ধাতব অক্সাইডের (ল্যাট) জালিতে একটি অক্সিজেন আইসোটোপের রসায়ন শোষণ এবং গ্যাস পর্যায়ে একটি অক্সিজেনকে জাল অক্সিজেন দিয়ে প্রতিস্থাপন করা যা নিম্নলিখিত বিক্রিয়ায় দেখানো হয়েছে। তথ্যসূত্র পৃষ্ঠ বিজ্ঞান রূপান্তর ধাতু অক্সাইড রূপান্তর ধাতু