Metal oxide adhesion
دھاتی آکسائڈ کے چپکنے کی طاقت مؤثر طریقے سے دھاتی آکسائڈ انٹرفیس کے گیلا ہونے کا تعین کرتی ہے۔ اس چپکنے کی طاقت اہم ہے، مثال کے طور پر، لائٹ بلب اور فائبر میٹرکس کمپوزٹس کی تیاری میں جو دھاتی سیرامک انٹرفیس بنانے کے لیے گیلا کرنے کی اصلاح پر منحصر ہے۔ چپکنے کی طاقت اتپریرک طور پر فعال دھات پر منتشر ہونے کی حد کا بھی تعین کرتی ہے۔ دھاتی آکسائڈ چپکنا تکمیلی دھاتی آکسائڈ سیمی کنڈکٹر آلات جیسے ایپلی کیشنز کے لیے اہم ہے۔ یہ آلات جدید انٹیگریٹڈ سرکٹس کی اعلی پیکنگ کثافت کو ممکن بناتے ہیں۔ آکسائڈ تھرموڈینامکس دھاتی آکسائڈ سطح کی توانائی کو کم کرنے اور نظام کی اینٹروپی کو کم کرنے کے مطابق تشکیل پاتے ہیں۔ تشکیل کے رد عمل قدرتی طور پر کیمیائی ہوتے ہیں، جو آکسیجن ڈائمرز اور خالص دھاتوں یا دھاتی مرکب کے درمیان بندھن بناتے ہیں۔ یہ تعاملات منتقلی دھاتوں اور نیم دھاتوں کے لیے اینڈوتھرمک ہوتے ہیں۔ ماحول میں آئسوتھرمک اور آئسوبارک حالات میں، آکسیکرن کے ذریعے آکسیجن ڈائمر کو باندھنے کے لیے آزاد دھات کی سطح کا امکان آکسیجن کے جزوی دباؤ، کرسٹل اور مائع یا بخارات کے مرحلے کے درمیان سطح کی توانائی (تشکیل کی حرارت دیکھیں)، اور وقت کا ایک فعل ہے۔ معیاری حالات میں، مرحلے کی تبدیلی کے تعین کرنے والے عوامل درجہ حرارت اور دباؤ ہیں۔ یہاں خیال یہ ہے کہ آکسیجن گیس سے ٹھوس میں مرحلے کی تبدیلی کر رہی ہے، اور اسی وقت آکسیجن اور دھات کے درمیان ایک بند بن رہا ہے۔ 298K پر سالماتی گیسی آکسیجن کے لیے بانڈ ڈس ایسوسی ایشن کی اینتھالپی سے زیادہ توانائی کی شراکت کی ضرورت ہوتی ہے جو کہ + 498.34 kJ/mol ہے اور عام طور پر اس کا اظہار  मुंदف کے طور پر کیا جاتا ہے کیونکہ یہ تشکیل کی حرارت بھی ہے۔ دھاتی آکسائڈ کی تشکیل میں حصہ دار اینٹروپی کی اکثریت O2 (g) سے ہوتی ہے۔ پرجوش بخارات کے مرحلے کی وجہ سے گیسس آکسیجن مالیکیولز میں اعلی ٹرانسلیشن اینٹروپی ہوتی ہے۔ یہ نظام سے انٹرفیس یا رد عمل کی سطح تک آکسیجن کی نقل و حمل کی اجازت دیتا ہے۔ آکسیڈیشن کے لیے اینٹروپی (δS) میں تبدیلی نیم دھاتوں، منتقلی دھاتوں، الکلی ارتھ دھاتوں اور لینتھانائڈز/ایکٹینائڈز کے لیے منفی (ایکسوتھرمک) ہے۔ یہ حقیقت ایک بے نقاب خالص دھات کی سطح کی بلند توانائی اور چھوٹے آکسیجن ڈائمر کی اعلی توانائی کے مقامات کی طرف راغب ہونے کی صلاحیت کی وجہ سے ہے۔ آکسائڈ کی تشکیل کا رجحان یہ ہے کہ جوہری تعداد میں اضافے کے ساتھ رد عمل کی شرح میں اضافہ ہوتا ہے۔ بلند سطح الیکٹران کثافت والے علاقے ہمیشہ ترجیحی طور پر آکسائڈائز ہوں گے، جیسا کہ الیکٹرو انوڈائزڈ ٹائٹینٹ کی تشکیل میں خوبصورتی سے دکھایا گیا ہے۔ آکسائڈ کی تشکیل پر اجزاء کی گبز آزاد توانائی کی سطحوں کے درمیان تعاملات کا غلبہ ہے۔ گبز کی سطحوں کے چوراہوں کو دیئے گئے درجہ حرارت اور دباؤ پر 2 ڈی اسپیس میں فیز ڈایگرام کے طور پر پیش کیا جائے گا۔ حقیقی دنیا کی ایپلی کیشنز میں، گبز کی سطحیں اضافی جہتی اینٹروپی کے تابع ہیں۔ یہ تیسرا طول و عرض ایک کارٹیشین کوآرڈینیٹ اسپیس تشکیل دیتا ہے اور کسی دیئے گئے رد عمل کے لیے گبز توانائی کے ذریعے نقشہ بند کی گئی سطح مرحلے کی منتقلی کے لیے درکار حد توانائی فراہم کرتی ہے۔ یہ اقدار اے ایس ایم لائبریری والیوم میں، یا آن لائن "اسٹینڈرڈ ہیٹس آف فارمیشن" کے طور پر مل سکتی ہیں۔ اینتھالپی کی معیاری حالت کی تبدیلی آزاد ہے اور اس طرح درجہ حرارت کی تقریب کے طور پر گبز فری انرجی میں تبدیلی کا میلان لکیری ہے۔ اس سے پتہ چلتا ہے کہ درجہ حرارت میں اضافے کے ساتھ آکسائڈ تھرموڈینامک طور پر کم مستحکم ہو جاتا ہے۔ توازن گیلا کرنے اور غیر توازن گیلا کرنے کے درمیان ایک اہم فرق یہ ہے کہ غیر توازن کی حالت اس وقت ہوتی ہے جب کیمیائی رد عمل ہو رہا ہوتا ہے۔ یہ غیر توازن گیلا ہونا ایک ناقابل واپسی تھرموڈینامک عمل ہے جو آکسائڈ جیسے نئے باؤنڈری مرحلے کی تشکیل کرتے وقت کیمیائی صلاحیت میں ہونے والی تبدیلیوں کا سبب بنتا ہے۔ چپکنے کا کام Wsep علیحدگی کا مثالی کام انٹرفیس کو دو آزاد سطحوں میں الگ کرنے کے لیے درکار ریورسیبل کام ہے۔ میکانی خصوصیات کے لحاظ سے اسٹیٹ فنکشن کے طور پر اہم ہے۔ اسے مثالی کہا جاتا ہے کیونکہ جب دو آزاد سطحیں انٹرفیس بناتی ہیں، تو انٹرفیس کا ارتکاز صرف اس وقت بلک سے ملتا جلتا ہوگا جب سطح بنتی ہے۔ کیمیائی توازن تک پہنچنے کے لیے، پھیلاؤ کا عمل ہوگا جو علیحدگی کے کام کی کسی بھی پیمائش میں اضافہ کرے گا۔ چپکنے کا کام انٹرفیس سے آزاد سطحوں کو بنانے کے لیے قابل واپسی آزاد توانائی کی تبدیلی ہے۔ اس کی نمائندگی مساوات کے ذریعے کی جاتی ہے: جہاں: وڈ چپکنے کا کام ہے γm اور γo دھات کی متعلقہ سطح کی توانائیاں ہیں اور آکسائڈ γmo رابطے میں دونوں مادوں کے درمیان سطح کی توانائی ہے۔ درج ذیل جدول کچھ مشترکہ دھاتیں اور ان کی متعلقہ سطح کی توانائیاں دیتا ہے۔ تمام دھاتیں چہرے پر مرکوز کیوبک کرسٹل ڈھانچہ ہیں اور یہ سطح کی توانائیاں (100) سطح کے سطح سے مطابقت رکھتی ہیں۔ آکسائڈ استحکام ایلنگھم خاکے تھرموڈینامکس کے دوسرے قانون کے مطابق تیار کیے جاتے ہیں اور آکسائڈ کی تشکیل کے لیے درجہ حرارت میں تبدیلی کے حوالے سے گبز فری انرجی میں تبدیلی کی گرافیکل نمائندگی کرتے ہیں۔ ٹھوس گیس انٹرفیس ساخت حقیقی سطحیں میکروسکوپک طور پر یکساں ہو سکتی ہیں، لیکن ان کی خوردبین متفرقیت دھات اور اس کے آکسائڈ کے درمیان تعلقات میں اہم کردار ادا کرتی ہے۔ ٹرانزیشن میٹل آکسائڈز بعض ٹرانزیشن میٹلز متعدد آکسائڈ تہوں کی تشکیل کرتی ہیں جن کی مختلف اسٹیوچیومیٹرک ترکیبیں ہوتی ہیں۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ دھات میں ویلینس شیل میں کم یا زیادہ الیکٹرانوں کے ساتھ متعدد ویلینسی ریاستیں ہوتی ہیں۔ یہ مختلف ویلینسی ریاستیں ایک ہی دو عناصر سے متعدد آکسائڈز کی تشکیل کی اجازت دیتی ہیں۔ جیسے جیسے مادے کی مقامی ساخت ایٹموں کے پھیلاؤ کے ذریعے تبدیل ہوتی ہے، مختلف آکسائڈز تہوں کے طور پر بنتے ہیں، ایک دوسرے کے اوپر۔ اس صورتحال میں کل چپکنے میں دھاتی آکسائیڈ انٹرفیس اور آکسائیڈ آکسائیڈ انٹرفیس شامل ہوتے ہیں، جو میکانکس میں بڑھتی ہوئی پیچیدگی کا اضافہ کرتے ہیں۔ کھردری سطح کی کھردری میں اضافہ دھات آکسائیڈ انٹرفیس پر لٹکنے والے بانڈز کی تعداد میں اضافہ کرتا ہے۔ کرسٹل چہرے کی سطح سے آزاد توانائی یہ ہے: جہاں: E مواد کی بائنڈنگ توانائی ہے T نظام کا درجہ حرارت ہے S مواد کی سطح کی اینٹروپی ہے بائنڈنگ توانائی ایک ہموار سطح کی حمایت کرتی ہے جو لٹکتے ہوئے بانڈز کی تعداد کو کم سے کم کرتی ہے، جبکہ سطح کی اینٹروپی اصطلاح درجہ حرارت میں اضافے کے ساتھ لٹکتے ہوئے بانڈز کے ساتھ ایک کھردری سطح کی حمایت کرتی ہے۔ ہیٹروجینیٹی آکسیجن مالیکیول کا ٹھوس جذب سبسٹریٹ کی ہیٹروجینیٹی پر منحصر ہوتا ہے۔ کرسٹل لائن ٹھوس جذب کا انحصار بے نقاب کرسٹل چہروں، اناج کی سمتوں اور موروثی نقائص پر ہوتا ہے کیونکہ یہ عوامل جذب سائٹس کو مختلف سٹیریک ترتیبات فراہم کرتے ہیں۔ جذب کا تعین بڑی حد تک بے نقاب سبسٹریٹ سے وابستہ گبز فری انرجی کی کمی سے ہوتا ہے۔ کرسٹلگرافک واقفیت ایک مادے کا چارج غیر جانبدار رہتا ہے جب کوئی سطح چارج کے تحفظ کے قانون کے ذریعہ بنائی جاتی ہے، لیکن انفرادی براویس جالی کے طیارے، جن کی تعریف ان کے ملر انڈیکس کے ذریعہ کی جاتی ہے، ان کی ہم آہنگی کی بنیاد پر غیر قطبی یا قطبی ہو سکتے ہیں۔ ایک دو قطبی مومنٹ سطح کی گبز آزاد توانائی میں اضافہ کرتا ہے، لیکن دھاتوں کے مقابلے میں آکسیجن آئنوں کی زیادہ پولرائزیشن پولرائزیشن کو سطح کی توانائی کو کم کرنے کی اجازت دیتی ہے اور اس طرح دھاتوں کی آکسائڈ بنانے کی صلاحیت میں اضافہ ہوتا ہے۔ نتیجتا، مختلف بے نقاب دھات کے چہرے غیر قطبی آکسائڈ کے چہروں پر کمزور طور پر چپکے رہ سکتے ہیں، لیکن قطبی چہرے کو مکمل طور پر گیلے کرنے کے قابل ہو سکتے ہیں۔ نقائص سطح کے نقائص سطح کی الیکٹرانک حالتوں اور بائنڈنگ توانائیوں کے مقامی اتار چڑھاؤ ہیں۔ ان نقائص کی موجودگی سے سطح کے رد عمل، جذب اور نیوکلیئشن بہت زیادہ متاثر ہو سکتے ہیں۔ آکسیڈ کی ترقی کا انحصار آکسائڈ پرت کے ذریعے جوڑے ہوئے یا آزاد آئنوں اور کیٹیشن کے بہاؤ (پھیلاؤ) پر ہوتا ہے۔ اسٹوچیومیٹرک آکسائڈز میں ایٹموں کا ایک انٹیجر تناسب ہوتا ہے جو صرف شٹکی نقائص (جوڑے والے آئن/کیشن خالی جگہوں) یا فرینکل نقائص (کیشن خالی جگہوں اور انٹرسٹیشیلز کے ساتھ مکمل آئن جالی) کی جالی منتقلی کے ذریعے آئنوں اور کیشنوں کے جوڑے ہوئے پھیلاؤ کی حمایت کر سکتا ہے۔ غیر اسٹائکومیٹرک آکسائڈ فلمیں آزاد آئن کے پھیلاؤ کی حمایت کرتی ہیں اور یا تو این-ٹائپ (اضافی الیکٹران) یا پی-ٹائپ (اضافی الیکٹران سوراخ) ہوتی ہیں۔ اگرچہ ویلینس کی صرف دو حالتیں ہیں، لیکن اس کی تین قسمیں ہیں: کیشن اضافی (این-ٹائپ) آئن خسارہ (این-ٹائپ) کیشن خسارہ (پی-ٹائپ) غیر اسٹائکومیٹرک آکسائڈز میں عام طور پر آکسائڈ پرت کی تخلیق کے دوران ناکافی آکسیجن کے نتیجے میں زیادہ تر دھاتی کیشن ہوتے ہیں۔ او 2-آئنوں سے چھوٹے رداس والے اضافی دھاتی ایٹم کرسٹل لیٹس کے اندر انٹرسٹیشیل نقائص کے طور پر آئنائز ہوتے ہیں اور ان کے گمشدہ الیکٹران کرسٹل کے اندر آزاد رہتے ہیں، آکسیجن ایٹموں کے ذریعے نہیں لیے جاتے۔ کرسٹل جالی کے اندر متحرک الیکٹرانوں کی موجودگی بجلی کی ترسیل اور آئنوں کی نقل و حرکت میں نمایاں کردار ادا کرتی ہے۔ مواد میں موجود نجاست عناصر آکسائڈ فلموں کے چپکنے پر بڑا اثر ڈال سکتے ہیں۔ جب ناپاک عنصر دھات پر آکسائڈ کی پابندی میں اضافہ کرتا ہے تو اسے رد عمل عنصر اثر یا آر ای اثر کے نام سے جانا جاتا ہے۔ اس موضوع پر میکانکس کے بہت سے نظریات موجود ہیں۔ ان میں سے اکثریت چپکنے کی طاقت میں اضافے کو آکسیجن سے منسلک دھات کے مقابلے آکسیجن سے منسلک ناپاک عنصر کے زیادہ تر تھرموڈینامک استحکام سے منسوب کرتی ہے۔ آکسائڈ کے چپکنے کو مضبوط کرنے کے لیے نکل مرکب میں یٹریم ڈالنا رد عمل والے عنصر کے اثر کی ایک مثال ہے۔ ڈسلوکیشنز تھرموڈینامک طور پر غیر مستحکم، حرکی طور پر پھنسے ہوئے نقائص ہیں۔ جب دباؤ لگایا جاتا ہے تو سطح کی نقل مکانی اکثر سکرو کی نقل مکانی پیدا کرتی ہے۔ بعض صورتوں میں، سکرو کی بے ترتیبی کرسٹل کی نشوونما کے لیے نیوکلیئشن توانائی کی رکاوٹ کو مسترد کر سکتی ہے۔ آکسائڈ سپورٹ رشتہ گیس ایٹموں کی یک پرت کا جذب یا تو مطابقت رکھتا ہے یا غیر مطابقت رکھتا ہے۔ متناسب جذب کی تعریف سبسٹریٹ-ایڈسوربیٹ پرت کے درمیان کرسٹل ڈھانچے کا تعلق رکھنے سے کی جاتی ہے جو ایک مربوط انٹرفیس تیار کرتی ہے۔ لکڑی کا نوٹیشن ٹھوس اور ایڈسوربیٹ کے آسان ترین دہرائے جانے والے یونٹ ایریا کے درمیان تعلق کی وضاحت ہے۔ نتیجے میں مطابقت پذیر انٹرفیس کے درمیان فرق کو غلط فٹ کے اثر کے طور پر بیان کیا جا سکتا ہے۔ انٹرفیسیل انٹرایکشن کو ایس جی کے ساتھ ساتھ جالی کی خرابی کی وجہ سے ذخیرہ شدہ لچکدار نقل مکانی توانائی کے طور پر ماڈل کیا جا سکتا ہے۔ ایک بڑا غلط فٹ ایک متضاد انٹرفیس سے مطابقت رکھتا ہے جہاں کوئی ہم آہنگی کا تناؤ نہیں ہوتا ہے اور انٹرفیس توانائی کو صرف ایس جی کے طور پر لیا جا سکتا ہے۔ اس کے برعکس، ایک چھوٹی سی غلطی ایک مربوط انٹرفیس اور ہم آہنگی کے تناؤ سے مطابقت رکھتی ہے جس کے نتیجے میں انٹرفیسیل توانائی کم سے کم ایس جی کے مساوی ہوتی ہے۔ بانڈ کی طاقت ایک ہی برائے نام رابطے کے علاقے کے لیے آکسائڈ اور دھات کے درمیان بانڈ کی طاقت پی اے سے لے کر جی پی اے تک ہو سکتی ہے۔ اس وسیع رینج کی وجہ متعدد مظاہر سے پیدا ہوتی ہے جو کم از کم چار مختلف قسم کے چپکنے سے نمٹتے ہیں۔ چپکنے والی بانڈنگ کی اہم اقسام الیکٹروسٹیٹک، ڈسپرسیو (وین ڈیر والس یا لندن فورسز)، کیمیائی اور پھیلے ہوئے بانڈنگ ہیں۔ جیسے جیسے چپکنے والی قوتیں بڑھتی ہیں، کرسٹل مواد میں علیحدگی لچکدار ڈی بانڈنگ سے لچکدار پلاسٹک ڈی بانڈنگ تک جا سکتی ہے۔ یہ بانڈز کی بڑی تعداد بننے یا دونوں مادوں کے درمیان بانڈز کی طاقت میں اضافے کی وجہ سے ہے۔ لچکدار پلاسٹک ڈی بانڈنگ اس وقت ہوتی ہے جب مقامی دباؤ اتنے زیادہ ہوتے ہیں کہ وہ بے ترتیبی کو منتقل کر سکتے ہیں یا نئے بنا سکتے ہیں۔ سالڈ گیس کینیٹکس جب گیس کا مالیکیول کسی ٹھوس سطح سے ٹکرا جاتا ہے تو یہ مالیکیول یا تو ریباؤنڈ ہو سکتا ہے یا جذب ہو سکتا ہے۔ جس شرح سے گیس کے مالیکیول سطح سے ٹکراتے ہیں وہ آکسائڈ کی نشوونما کی مجموعی حرکیات میں ایک بڑا عنصر ہے۔ اگر وہاں انو جذب ہوتا ہے تو تین ممکنہ نتائج ہوتے ہیں۔ سطح کا تعامل اتنا مضبوط ہو سکتا ہے کہ گیس کے مالیکیول کو الگ الگ ایٹموں یا اجزاء میں الگ کر سکے۔ یہ مالیکیول اپنی کیمیائی خصوصیات کو تبدیل کرنے کے لیے سطح کے ایٹموں کے ساتھ بھی تعامل کر سکتا ہے۔ تیسرا امکان ٹھوس سطح اتپریرک ہے، جو سطح پر پہلے جذب شدہ مالیکیول کے ساتھ بائنری کیمیائی رد عمل ہے۔ پھیلاؤ اکثر یہ ایک واحد آکسائڈ مونو لیئر کی نشوونما کے لیے حرکی طور پر سازگار ہوتا ہے جو بعد کی تہوں کی نشوونما سے پہلے مکمل ہو جاتا ہے۔ عام طور پر بازی کا نمونہ اس طرح بنایا جا سکتا ہے: جہاں: Ns سطح پر ایٹموں کی تعداد ہے Nt مواد میں ایٹموں کی کل تعداد ہے۔ بازی آکسائڈ کی نشوونما کے لیے اہم ہے کیونکہ صرف وہ ایٹم جو انٹرفیس کے سامنے ہوتے ہیں آکسائڈ بنانے کے لیے رد عمل ظاہر کر سکتے ہیں۔ پھیلاؤ ابتدائی آکسائڈ مونو لیئر بننے کے بعد، نئی پرتیں بننا شروع ہو جاتی ہیں اور آکسائڈ کی موٹائی کو بڑھانے کے لیے آئنوں کو آکسائڈ کے ذریعے پھیلنے کے قابل ہونا چاہیے۔ آکسیکرن کی شرح کو اس بات سے کنٹرول کیا جاتا ہے کہ یہ آئن مواد کے ذریعے کتنی تیزی سے پھیل سکتے ہیں۔ جیسے جیسے آکسائڈ کی موٹائی بڑھتی ہے، آکسیکرن کی شرح کم ہوتی جاتی ہے کیونکہ اس کے لیے ایٹموں کو مزید فاصلہ طے کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس شرح کو فک کے پھیلاؤ کے پہلے قانون کا استعمال کرتے ہوئے خالی جگہوں یا آئنوں کے پھیلاؤ کی شرح کا حساب لگا کر متعین کیا جا سکتا ہے۔ جہاں: J بہاؤ ہے اور اس میں mol·m−2·s−1 کی اکائیاں ہیں D مواد میں آئنوں کی بازی ہے δC مواد کے ارتکاز میں تبدیلی ہے δx آکسائڈ پرت کی موٹائی ہے ٹھوس سطح اتپریرک 2007 میں کیمسٹری کا نوبل انعام گیرہارڈ ایرٹل کو ٹھوس گیس انٹرفیس سالماتی عمل کے مطالعہ کے لیے دیا گیا تھا۔ ایسا ہی ایک عمل آکسیلیٹری کینیٹک کیٹالیسس ہے۔ آسکیلیٹری حرکی اتپریرک کی وضاحت مختلف کرسٹل سطحوں کے ذریعے کی جا سکتی ہے جو غیر تبدیل شدہ چہروں کی حمایت کرتی ہیں اور سطح کے تناؤ کو کم کرنے کے لیے تعمیر نو کرتی ہیں۔ سی او کی موجودگی سطح کی تعمیر نو کو ایک خاص فیصد کوریج سے پیچھے کرنے کا سبب بن سکتی ہے۔ ایک بار الٹ جانے کے بعد، آکسیجن کو پلٹی ہوئی سطحوں پر کیمیا جذب کیا جا سکتا ہے۔ یہ CO اور دیگر O2 سے بھرپور سطح کی کوریج کے علاقوں کے ساتھ ایک جذب نمونہ پیدا کرتا ہے۔ محرک کی محرک قوت کا تعین غیر بنیادی توازن اور فوری انٹرفیسیل فری توانائیوں کے درمیان فرق سے ہوتا ہے۔ آکسائڈ کرسٹلگرافک نقائص کٹاؤ آکسیکرن ممکنہ تخفیف پوربائیکس خاکہ ایلنگھم خاکہ MOSFET میٹل آکسائڈ ویرسٹر سطح کی خصوصیات منتقلی میٹل آکسائڈ حوالہ جات آکسائڈ