कैथोडोल्यूमिनेसेंस

क्रमवीक्षण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में एक हीरे का रंग कैथोडोल्यूमिनेसेंस, वास्तविक रंग

कैथोडोल्यूमिनेसेंस एक प्रकाशिक घटना और विद्युत चुंबकत्व है जिसमें इलेक्ट्रॉनों को संदीप्त पदार्थ जैसे फॉस्फर पर प्रभाव पड़ता है, जो फोटॉन के उत्सर्जन का कारण बनता है, जो दृश्यमान वर्णक्रम में तरंग दैर्ध्य हो सकता है। एक परिचित उदाहरण कैथोड किरण नलिका का उपयोग करने वाले टेलीविजन की स्क्रीन की फॉस्फोर-लेपित आंतरिक सतह को क्रमवीक्षण करके एक इलेक्ट्रॉन बीम द्वारा प्रकाश की पीढ़ी है। कैथोडोल्यूमिनेसेंस प्रकाश विद्युत प्रभाव का व्युत्क्रम है, जिसमें फोटॉनों के साथ विकिरण द्वारा इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन को प्रेरित किया जाता है।

उत्पत्ति

एक कैथोडोल्यूमिनेसेंस प्रणाली का रेखा चित्र : इलेक्ट्रॉन बीम परवलयिक दर्पण में छोटे छिद्र से होकर गुजरता है जो प्रकाश को एकत्र करता है और इसे स्पेक्ट्रोमीटर में दर्शाता है। एक आवेश-युग्मित उपकरण(सीसीडी) या प्रकाशगुणक(पीएमटी) का उपयोग क्रमशः समानांतर या एकवर्णी संसूचन के लिए किया जा सकता है। इलेक्ट्रॉन बीम-प्रेरित धारा(EBIC) संकेत एक साथ अभिलिखित किया जा सकता है।

अर्धचालक में संदीप्त का परिणाम तब होता है जब चालन बैंड में इलेक्ट्रॉन संयोजी बंध में एक इलेक्ट्रॉन छिद्र के साथ पुनर्संयोजित होता है। इस संक्रमण की अंतर ऊर्जा(बैंड अंतर) को फोटॉन के रूप में उत्सर्जित किया जा सकता है। फोटॉन की ऊर्जा(रंग), और संभावना है कि फोटॉन और फोनन नहीं उत्सर्जित किया जाएगा, पदार्थ, इसकी शुद्धता और दोषों की उपस्थिति पर निर्भर करता है। सबसे पहले, इलेक्ट्रॉन को संयोजी बैंड से चालन बैंड में उत्तेजित करना होता है। कैथोडोल्यूमिनेसेंस में, यह अर्धचालक पर उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन बीम के प्रभाव के परिणामस्वरूप होता है। यद्यपि, ये प्राथमिक इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉनों को सीधे उत्तेजित करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा ले जाते हैं। इसके अतिरिक्त, क्रिस्टल में प्राथमिक इलेक्ट्रॉनों के अप्रत्यास्थ प्रकीर्णन से द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों, ओज़े इलेक्ट्रॉनों और एक्स-किरण का उत्सर्जन होता है, जो इसके स्थान पर प्रकीर्णित भी हो सकते हैं। प्रकीर्णन की घटनाओं का ऐसा सोपानी प्रति घटना इलेक्ट्रॉन10³ द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों तक ले जाता है। ये द्वितीयक इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में संयोजी इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित कर सकते हैं जब उनके समीप पदार्थ की ऊर्जा अंतराल ऊर्जा के लगभग तीन गुना गतिज ऊर्जा होती है$(E_{kin}\approx 3E_{g})$। वहां से इलेक्ट्रॉन संयोजी बैंड में एक छिद्र के साथ पुन: जुड़ता है और एक फोटॉन बनाता है। अतिरिक्त ऊर्जा फोनन में स्थानांतरित हो जाती है और इस प्रकार जाली को गर्म करती है। इलेक्ट्रॉन बीम के साथ उत्तेजना के लाभों में से एक यह है कि जिन पदार्थों की जांच की जाती है, उनकी बैंड अंतर ऊर्जा घटना प्रकाश की ऊर्जा द्वारा सीमित नहीं होती है, जैसा कि फोटोलुमिनेसेंस की स्थिति में होता है। इसलिए, कैथोडोल्यूमिनेसेंस में, अर्धचालक की जांच की जा सकती है, वस्तुतः, लगभग कोई भी गैर-धातु पदार्थ हो सकती है। बैंड संरचना के संदर्भ में, शास्त्रीय अर्धचालक, विसंवाहक, चीनी मिट्टी की वस्तुएं, रत्न, खनिज और ऐनक को उसी प्रकार से व्यवहार किया जा सकता है।

सूक्ष्मदर्शिकी

एक InGaN पॉलीक्रिस्टल की क्रमवीक्षण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी प्रतिबिम्ब पर रंग कैथोडोल्यूमिनेसेंस अधिचित्रित। नीले और हरे चैनल वास्तविक रंगों का प्रतिनिधित्व करते हैं, लाल चैनल यूवी उत्सर्जन से मेल खाता है।

भूविज्ञान, खनिज विज्ञान, पदार्थ विज्ञान और इंजीनियरिंग और अर्धचालक इंजीनियरिंग में, एक क्रमवीक्षण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी(एसईएम) एक कैथोडोल्यूमिनेसेंस संसूचक के साथ लगाया जाता है, या एक प्रकाशिक कैथोडोल्यूमिनेसेंस सूक्ष्मदर्शी का उपयोग अर्धचालक, चट्टानों, मिट्टी के पात्र, कांच आदि की आंतरिक संरचनाओं की जांच के लिए किया जा सकता है। पदार्थ की संरचना, विकास और गुणवत्ता के विषय में जानकारी प्राप्त करना है।

एक क्रमवीक्षण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में

इन उपकरणों में इलेक्ट्रॉनों की एक केंद्रित किरण प्रतिदर्श पर टकराती है और इसे प्रकाश का उत्सर्जन करने के लिए प्रेरित करती है जिसे प्रकाशिक प्रणाली, जैसे कि दीर्घवृत्तीय दर्पण द्वारा एकत्र किया जाता है। वहां से, एक प्रकाशित तंतु प्रकाश को सूक्ष्मदर्शी से बाहर स्थानांतरित करेगा जहां इसे एकवर्णक द्वारा इसके घटक तरंग दैर्ध्य में अलग किए जाते है और फिर एक प्रकाशगुणक नलिका के साथ इसका पता लगाया जाता है। सूक्ष्मदर्शी के बीम को XY प्रतिरूप में क्रमवीक्षण करके और प्रत्येक बिंदु पर बीम के साथ उत्सर्जित प्रकाश को मापकर, प्रतिदर्श की प्रकाशिक गतिविधि का एक प्रतिचित्र प्राप्त किया जा सकता है(कैथोडोल्यूमिनेसेंस प्रतिबिंबन)। इसके अतिरिक्त, एक निश्चित बिंदु या एक निश्चित क्षेत्र के लिए तरंग दैर्ध्य निर्भरता को मापकर, वर्णक्रमीय विशेषताओं को अभिलिखित किया जा सकता है(कैथोडोल्यूमिनेसेंस स्पेक्ट्रोमिकी)। इसके अतिरिक्त, यदि प्रकाशगुणक नलिका को सीसीडी कैमरा से बदल दिया जाता है, तो प्रतिचित्र के प्रत्येक बिंदु(अतिवर्णक्रमीय प्रतिबिंबन) पर एक पूरे वर्णक्रम को मापा जा सकता है। इसके अतिरिक्त, किसी वस्तु के प्रकाशिक गुणों को इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी से देखे गए संरचनात्मक गुणों से जोड़े जा सकते है।

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी आधारित तकनीक का प्राथमिक लाभ इसका स्थानिक विभेदन है। एक क्रमवीक्षण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में, प्राप्य विभेदन कुछ दस नैनोमीटर के क्रम पर होता है, जबकि(क्रमवीक्षण) संचरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी(टीईएम) में, नैनोमीटर-आकार की विशेषताओं को हल किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, यदि इलेक्ट्रॉन बीम को बीम-ब्लैंकर या स्पंदित इलेक्ट्रॉन स्रोत के साथ नैनो- या पिको-सेकंड स्पंदित में काटा जा सकता है, तो इसके अतिरिक्त, नैनोसेकंड- पिकोसेकंड-स्तर समय-हल मापन करना संभव है। ये उन्नत तकनीकें कम-आयामी अर्धचालक संरचनाओं, जैसे क्वांटम कूप या क्वांटम बिंदु की जांच के लिए उपयोगी हैं।

जबकि एक कैथोडोल्यूमिनेसेंस संसूचक के साथ इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी उच्च आवर्धन प्रदान करता है, प्रकाशिक कैथोडोल्यूमिनेसेंस सूक्ष्मदर्शी सीधे नेत्रिका के माध्यम से वास्तविक दृश्य रंग सुविधाओं को दिखाने की क्षमता से लाभान्वित होते है। वर्तमान में विकसित प्रणालियाँ इन दोनों तकनीकों का लाभ उठाने के लिए प्रकाशिक और इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी दोनों को संयोजित करने का प्रयास करती हैं।

विस्तारित अनुप्रयोग

यद्यपि प्रत्यक्ष बैंडअंतर अर्धचालक जैसे GaAs या GaN की इन तकनीकों द्वारा सबसे सरलता से जांच की जाती है, अप्रत्यक्ष अर्धचालक जैसे सिलिकॉन भी मन्द कैथोडोल्यूमिनिसेंस का उत्सर्जन करते हैं, और इसकी जांच भी की जा सकती है। विशेष रूप से, विस्थापित सिलिकॉन की संदीप्त आंतरिक सिलिकॉन से भिन्न होती है, और इसका उपयोग एकीकृत परिपथों में दोषों को प्रतिचित्रित करने के लिए किया जा सकता है।

वर्तमान में, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में किए गए कैथोडोल्यूमिनेसेंस का उपयोग धातु के नैनोकणों में सतह समतल अनुनादों का अध्ययन करने के लिए भी किया जा रहा है। धातु नैनोकणों में सतह द्रव्यैकक प्रकाश को अवशोषित और उत्सर्जित कर सकते हैं, यद्यपि यह प्रक्रिया अर्धचालक से अलग है। इसी प्रकार, कैथोडोल्यूमिनेसेंस का उपयोग तलीय परावैद्युत फोटोनिक क्रिस्टल और नैनोसंरचित फोटोनिक पदार्थ अवस्थाओं के स्थानीय घनत्व को प्रतिचित्रित करने के लिए एक जांच के रूप में किया गया है।

यह भी देखें

• कैथोडोल्यूमिनेसेंस सूक्ष्मदर्शी
• इलेक्ट्रॉन-उत्तेजित संदीप्ति
• संदीप्ति
• फोटोलुमिनेसेंस
• क्रमवीक्षण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकी

अग्रिम पठन

• Coenen, T. (2014). Angle-resolved cathodoluminescence nanoscopy (Thesis). University of Amsterdam. hdl:11245/1.417564.
• Electron beams set nanostructures aglow [PDF], E. S. Reich, Nature 493, 143(2013)
• Lähnemann, J. (2013). Luminescence of group-III-V nanowires containing heterostructures (pdf) (PhD Thesis). Humboldt-Universität zu Berlin.
• Kuttge, M. (2009). Cathodoluminescence plasmon microscopy (pdf) (Thesis). Utrecht University.
• Scanning Cathodoluminescence Microscopy, C. M. Parish and P. E. Russell, in Advances in Imaging and Electron Physics, V.147, ed. P. W. Hawkes, P. 1(2007)
• Quick look cathodoluminescence analyses and their impact on the interpretation of carbonate reservoirs. Case study of mid-Jurassic oolitic reservoirs in the Paris Basin Archived 2018-09-25 at the Wayback Machine, B. Granier and C. Staffelbach(2009)
• Cathodoluminescence Microscopy of Inorganic Solids,, B. G. Yacobi and D. B. Holt, New York, Springer(1990)

बाहरी संबंध

• Scientific Results about High Spatial Resolution Cathodoluminescence