कैथोडोल्यूमिनेसेंस

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप 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 एक कैथोड रे ट्यूब का उपयोग करने वाले टेलीविजन की स्क्रीन की फॉस्फोर-लेपित आंतरिक सतह को स्कैन 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 सिस्टम का स्केच: इलेक्ट्रॉन बीम परवलयिक दर्पण में एक छोटे छिद्र से होकर गुजरता है जो प्रकाश को एकत्र करता है और इसे स्पेक्ट्रोमीटर में दर्शाता है। एक चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) या फोटोमल्टीप्लायर (पीएमटी) का उपयोग क्रमशः समानांतर या मोनोक्रोमैटिक डिटेक्शन के लिए किया जा सकता है। एक इलेक्ट्रॉन बीम-प्रेरित करंट (EBIC) सिग्नल एक साथ रिकॉर्ड किया जा सकता है।

सेमीकंडक्टर में संदीप्त का परिणाम तब होता है जब चालन बैंड में एक इलेक्ट्रॉन संयोजी बंध में एक इलेक्ट्रॉन छेद के साथ पुनर्संयोजित होता है। इस संक्रमण की अंतर ऊर्जा (बैंड गैप) को फोटॉन के रूप में उत्सर्जित किया जा सकता है। फोटॉन की ऊर्जा (रंग), और संभावना है कि एक फोटॉन और फोनन नहीं उत्सर्जित किया जाएगा, पदार्थ, इसकी शुद्धता और दोषों की उपस्थिति पर निर्भर करता है। सबसे पहले, इलेक्ट्रॉन को वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड में उत्तेजित करना होता है। कैथोडोल्यूमिनेसेंस में, यह अर्धचालक पर एक उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन बीम के प्रभाव के परिणामस्वरूप होता है। हालाँकि, ये प्राथमिक इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉनों को सीधे उत्तेजित करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा ले जाते हैं। इसके बजाय, क्रिस्टल में प्राथमिक इलेक्ट्रॉनों के अप्रत्यास्थ प्रकीर्णन से द्वितीयक इलेक्ट्रॉनों, बरमा इलेक्ट्रॉनों और एक्स-रे का उत्सर्जन होता है, जो बदले में बिखर भी सकते हैं। बिखरने की घटनाओं का ऐसा झरना 10 तक ले जाता है³ द्वितीयक इलेक्ट्रॉन प्रति घटना इलेक्ट्रॉन। ये द्वितीयक इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित कर सकते हैं जब उनके पास पदार्थ की ऊर्जा अंतराल ऊर्जा का लगभग तीन गुना गतिज ऊर्जा होती है। $(E_{kin}\approx 3E_{g})$. वहां से इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड में एक छेद 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 फायदों में से एक यह है कि जिन सामग्रियों की जांच की जाती है, उनकी बैंड गैप ऊर्जा घटना प्रकाश की ऊर्जा द्वारा सीमित नहीं होती है, जैसा कि फोटोलुमिनेसेंस के मामले में होता है। इसलिए, कैथोडोल्यूमिनेसेंस में, अर्धचालक की जांच की जा सकती है, वास्तव में, लगभग कोई भी गैर-धातु पदार्थ हो सकती है। बैंड संरचना के संदर्भ में, शास्त्रीय अर्धचालक, इन्सुलेटर, चीनी मिट्टी की चीज़ें, रत्न, खनिज और चश्मे को उसी तरह से व्यवहार किया जा सकता है।

माइक्रोस्कोपी

एक InGaN पॉलीक्रिस्टल की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवि पर रंग कैथोडोल्यूमिनेसेंस ओवरले। 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 सेमीकंडक्टर इंजीनियरिंग में, एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप | स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) एक कैथोडोल्यूमिनेसेंस डिटेक्टर के साथ लगाया जाता है, या एक प्रकाशिक कैथोडोल्यूमिनेसेंस माइक्रोस्कोप का उपयोग अर्धचालक, चट्टानों, मिट्टी के पात्र की आंतरिक संरचनाओं की जांच के लिए किया जा सकता है। पदार्थ की संरचना, विकास और गुणवत्ता के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए कांच आदि।

एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में

इन उपकरणों में इलेक्ट्रॉनों की एक केंद्रित किरण एक नमूने पर टकराती है और इसे प्रकाश का उत्सर्जन करने के लिए प्रेरित करती है जिसे एक प्रकाशिक प्रणाली, जैसे कि अण्डाकार दर्पण द्वारा एकत्र किया जाता है। वहां से, एक प्रकाशित तंतु प्रकाश को माइक्रोस्कोप से बाहर स्थानांतरित करेगा जहां इसे एक मोनोक्रोमेटर द्वारा इसके घटक तरंग दैर्ध्य में अलग किया जाता है और फिर एक फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब के साथ इसका पता लगाया जाता है। माइक्रोस्कोप के बीम को XY पैटर्न में स्कैन करके और प्रत्येक बिंदु पर बीम के साथ उत्सर्जित प्रकाश को मापकर, नमूने की प्रकाशिक गतिविधि का एक नक्शा प्राप्त किया जा सकता है (कैथोडोल्यूमिनेसेंस इमेजिंग)। इसके बजाय, एक निश्चित बिंदु या एक निश्चित क्षेत्र के लिए तरंग दैर्ध्य निर्भरता को मापकर, वर्णक्रमीय विशेषताओं को रिकॉर्ड किया जा सकता है (कैथोडोल्यूमिनेसेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी)। इसके अलावा, अगर फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब को सीसीडी कैमरा से बदल दिया जाता है, तो मानचित्र के प्रत्येक बिंदु (हाइपरस्पेक्ट्रल इमेजिंग) पर एक पूरे वर्णक्रम को मापा जा सकता है। इसके अलावा, किसी वस्तु के प्रकाशिक गुणों को इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से देखे गए संरचनात्मक गुणों से जोड़ा जा सकता है।

इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप आधारित तकनीक का प्राथमिक लाभ इसका स्थानिक विभेदन है। एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में, प्राप्य विभेदन कुछ दस नैनोमीटर के क्रम पर होता है, जबकि (स्कैनिंग) संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (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 दालों में काटा जा सकता है, तो इसके अतिरिक्त, नैनोसेकंद- पिकोसेकंद-स्तर समय-समाधान मापन करना संभव है। ये उन्नत तकनीकें कम-आयामी अर्धचालक संरचनाओं, जैसे क्वांटम कुओं या क्वांटम डॉट्स की जांच के लिए उपयोगी हैं।

जबकि एक कैथोडोल्यूमिनेसेंस डिटेक्टर के साथ एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप उच्च आवर्धन प्रदान करता है, एक प्रकाशिक कैथोडोल्यूमिनेसेंस माइक्रोस्कोप सीधे आईपीस के माध्यम से वास्तविक दृश्य रंग सुविधाओं को दिखाने की क्षमता से लाभान्वित होता है। हाल ही में विकसित प्रणालियाँ इन दोनों तकनीकों का लाभ उठाने के लिए एक प्रकाशिक और एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप दोनों को संयोजित करने का प्रयास करती हैं।

विस्तारित अनुप्रयोग

हालांकि प्रत्यक्ष बैंडगैप अर्धचालक जैसे GaAs या GaN की इन तकनीकों द्वारा सबसे आसानी से जांच की जाती है, अप्रत्यक्ष अर्धचालक जैसे सिलिकॉन भी कमजोर कैथोडोल्यूमिनिसेंस का उत्सर्जन करते हैं, और इसकी जांच भी की जा सकती है। विशेष रूप से, अव्यवस्था सिलिकॉन की संदीप्त आंतरिक सिलिकॉन से भिन्न होती है, और इसका उपयोग एकीकृत परिपथों में दोषों को मैप करने के लिए किया जा सकता है।

हाल ही 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 plasmon प्रकाश को अवशोषित और उत्सर्जित कर सकते हैं, हालांकि यह प्रक्रिया अर्धचालक से अलग है। इसी तरह, कैथोडोल्यूमिनेसेंस का उपयोग प्लेनर डाइइलेक्ट्रिक फोटोनिक क्रिस्टल और नैनोसंरचित फोटोनिक पदार्थ राज्यों के स्थानीय घनत्व को मैप करने के लिए एक जांच के रूप में किया गया है।

यह भी देखें

• कैथोडोल्यूमिनेसेंस माइक्रोस्कोप
• इलेक्ट्रॉन-उत्तेजित चमक
• चमक
• फोटोलुमिनेसेंस
• स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी

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