कैथोडोल्यूमिनेसिसेंस

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में हीरे का रंग कैथोडोल्यूमिनेसिसेंस, वास्तविक रंग

कैथोडोल्यूमिनेसिसेंस एक ऑप्टिकल घटना और विद्युत चुंबकत्व है जिसमें भास्वर जैसे ल्यूमिनेसिसेंस सामग्री पर प्रभाव डालने वाले इलेक्ट्रॉन फोटॉन के उत्सर्जन का कारण बनते हैं जिनमें दृश्यमान स्पेक्ट्रम में तरंग दैर्ध्य हो सकते हैं। एक परिचित उदाहरण एक कैथोड रे ट्यूब का उपयोग करने वाले टेलीविजन की स्क्रीन की फॉस्फोर-लेपित आंतरिक सतह को स्कैन करने वाले इलेक्ट्रॉन बीम द्वारा प्रकाश की पीढ़ी है। कैथोडोचमक प्रकाश विद्युत प्रभाव का विलोम है, जिसमें फोटॉन के साथ विकिरण द्वारा इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन प्रेरित होता है।

उत्पत्ति

कैथोडोल्यूमिनेशन सिस्टम का स्केच: इलेक्ट्रॉन बीम परवलयिक दर्पण में एक छोटे से छिद्र से होकर गुजरता है जो प्रकाश को इकट्ठा करता है और इसे स्पेक्ट्रोमीटर में परावर्तित करता है। एक युग्मित उपकरण को चार्ज करें (सीसीडी) या फोटोमल्टीप्लायर (पीएमटी) का इस्तेमाल क्रमशः समानांतर या मोनोक्रोमैटिक डिटेक्शन के लिए किया जा सकता है। एक इलेक्ट्रॉन बीम-प्रेरित करंट (EBIC) सिग्नल को एक साथ रिकॉर्ड किया जा सकता है।

अर्धचालक में ल्यूमिनेसेंस का परिणाम तब होता है जब चालन बैंड में एक इलेक्ट्रॉन संयोजी बंध में एक इलेक्ट्रॉन छेद के साथ पुनर्संयोजन करता 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 फोटान और फोनन नहीं उत्सर्जित होगा, सामग्री, इसकी शुद्धता और दोषों की उपस्थिति पर निर्भर करता है। सबसे पहले, इलेक्ट्रॉन को वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड में उत्तेजित करना होता है। कैथोडोल्यूमिनेसिसेंस में, यह अर्धचालक पर एक उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन बीम लगाने के परिणामस्वरूप होता है। हालांकि, ये प्राथमिक इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉनों को सीधे उत्तेजित करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा ले जाते हैं। इसके बजाय, क्रिस्टल में प्राथमिक इलेक्ट्रॉनों के अकुशल प्रकीर्णन से द्वितीयक इलेक्ट्रॉन ों, बरमा इलेक्ट्रॉन ों और एक्स-किरणों का उत्सर्जन होता है, जो बदले में भी बिखर सकते हैं। बिखरने वाली घटनाओं का ऐसा झरना 10 . तक होता है³ द्वितीयक इलेक्ट्रॉन प्रति घटना इलेक्ट्रॉन।^[1] ये द्वितीयक इलेक्ट्रॉन वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड में उत्तेजित कर सकते हैं, जब उनके पास सामग्री की ऊर्जा अंतराल ऊर्जा के बारे में तीन गुना गतिज ऊर्जा होती है। $(E_{kin}\approx 3E_{g})$ .^[2] वहां से इलेक्ट्रॉन संयोजकता बैंड में एक छेद के साथ पुनर्संयोजन करता है और एक फोटॉन बनाता है। अतिरिक्त ऊर्जा फोनन में स्थानांतरित हो जाती है और इस प्रकार जाली को गर्म करती है। एक इलेक्ट्रॉन बीम के साथ उत्तेजना के लाभों में से एक यह है कि जांच की जाने वाली सामग्रियों की बैंड गैप ऊर्जा घटना प्रकाश की ऊर्जा द्वारा सीमित नहीं है जैसा कि फोटोल्यूमिनेसेंस के मामले में होता है। इसलिए, कैथोडोल्यूमिनेसेंस में, जांचा गया अर्धचालक, वास्तव में, लगभग कोई भी गैर-धातु सामग्री हो सकता है। बैंड संरचना के संदर्भ में, शास्त्रीय अर्धचालक, इन्सुलेटर, सिरेमिक, रत्न, खनिज, और चश्मा उसी तरह से व्यवहार किया जा सकता है।

माइक्रोस्कोपी

InGaN पॉलीक्रिस्टल की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप इमेज पर कलर कैथोडोल्यूमिनेसिसेंस ओवरले। नीले और हरे रंग के चैनल वास्तविक रंगों का प्रतिनिधित्व करते हैं, लाल चैनल यूवी उत्सर्जन से मेल खाती है।

भूविज्ञान, खनिज विज्ञान, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग और अर्धचालक इंजीनियरिंग में, एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप | स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) एक कैथोडोल्यूमिनेसिसेंस डिटेक्टर, या एक ऑप्टिकल कैथोडोल्यूमिनेसिसेंस माइक्रोस्कोप के साथ लगाया जाता है, जिसका उपयोग अर्धचालक, चट्टानों, सिरेमिक, की आंतरिक संरचनाओं की जांच के लिए किया जा सकता है। सामग्री की संरचना, वृद्धि और गुणवत्ता के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए कांच , आदि।

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में

इन उपकरणों में इलेक्ट्रॉनों का एक केंद्रित बीम एक नमूने पर थोपता है और इसे प्रकाश का उत्सर्जन करने के लिए प्रेरित करता है जो एक ऑप्टिकल सिस्टम द्वारा एकत्र किया जाता है, जैसे कि अण्डाकार दर्पण। वहां से, एक प्रकाशित तंतु प्रकाश को माइक्रोस्कोप से बाहर स्थानांतरित करेगा जहां इसे एक मोनोक्रोमेटर द्वारा अपने घटक तरंग दैर्ध्य में अलग किया जाता है और फिर एक फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब के साथ इसका पता लगाया जाता है। माइक्रोस्कोप के बीम को एक्स-वाई पैटर्न में स्कैन करके और प्रत्येक बिंदु पर बीम के साथ उत्सर्जित प्रकाश को मापकर, नमूने की ऑप्टिकल गतिविधि का एक नक्शा प्राप्त किया जा सकता है (कैथोडोल्यूमिनेशन 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 (कैथोडोल्यूमिनेसिस स्पेक्ट्रोस्कोपी)। इसके अलावा, अगर फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब को सीसीडी कैमरा से बदल दिया जाता है, तो एक पूरे स्पेक्ट्रम को मानचित्र के प्रत्येक बिंदु (हाइपरस्पेक्ट्रल इमेजिंग ) पर मापा जा सकता है। इसके अलावा, किसी वस्तु के ऑप्टिकल गुणों को इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के साथ देखे गए संरचनात्मक गुणों से जोड़ा जा सकता है।

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी आधारित तकनीक का प्राथमिक लाभ इसका स्थानिक विभेदन है। एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में, प्राप्य संकल्प कुछ दस नैनोमीटर के क्रम पर होता है,^[3] जबकि एक (स्कैनिंग) इलेक्ट्रान सम्प्रेषित दूरदर्शी (टीईएम) में, नैनोमीटर के आकार की विशेषताओं को हल किया जा सकता है।^[4] इसके अतिरिक्त, नैनोसेकंड- से पिकोसेकंड-स्तरीय समय-समाधान माप करना संभव है यदि इलेक्ट्रॉन बीम को बीम-ब्लैंकर द्वारा या स्पंदित इलेक्ट्रॉन स्रोत के साथ नैनो- या पिको-सेकंड दालों में काटा जा सकता है। ये उन्नत तकनीक निम्न-आयामी अर्धचालक संरचनाओं, जैसे क्वांटम कुओं या क्वांटम डॉट्स की जांच के लिए उपयोगी हैं।

जबकि कैथोडोल्यूमिनेसिस डिटेक्टर के साथ एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप उच्च आवर्धन प्रदान करता है, एक ऑप्टिकल कैथोडोल्यूमिनेशन माइक्रोस्कोप सीधे ऐपिस के माध्यम से वास्तविक दृश्यमान रंग विशेषताओं को दिखाने की क्षमता से लाभान्वित होता है। हाल ही में विकसित सिस्टम इन दोनों तकनीकों का लाभ उठाने के लिए एक ऑप्टिकल और एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप दोनों को संयोजित करने का प्रयास करते हैं।^[5]

विस्तारित अनुप्रयोग

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

हाल ही में, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में किए गए कैथोडोल्यूमिनेसिसेंस का उपयोग धात्विक नैनोकणों में सतही प्लास्मोन प्रतिध्वनि का अध्ययन करने के लिए भी किया जा रहा है।^[6] धातु के नैनोकणों में सतह के प्लास्मोन प्रकाश को अवशोषित और उत्सर्जित कर सकते हैं, हालांकि यह प्रक्रिया अर्धचालकों से अलग है। इसी तरह, कैथोडोल्यूमिनेसिसेंस का उपयोग प्लेनर डाइइलेक्ट्रिक फोटोनिक क्रिस्टल और नैनोस्ट्रक्चर्ड फोटोनिक सामग्री के राज्यों के स्थानीय घनत्व को मैप करने के लिए एक जांच के रूप में किया गया है।^[7]

यह भी देखें

कैथोडोल्यूमिनेसिसेंस माइक्रोस्कोप
इलेक्ट्रॉन-उत्तेजित ल्यूमिनेसिसेंस
ल्यूमिनेसिसेंस
फोटोलुमिनेसेंस
स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी

संदर्भ

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अग्रिम पठन

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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.
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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)

इस पृष्ठ में अनुपलब्ध आंतरिक कड़ियों की सूची

दृश्यमान प्रतिबिम्ब
फोटॉनों
इलेक्ट्रॉन बीम प्रेरित धारा
फोटोन
एक्स-रे
फोनोन
सेमीकंडक्टर
खनिज विद्या
भूगर्भ शास्त्र
चीनी मिट्टी
क्वांटम वेल
सतह प्लासमॉन अनुनाद

बाहरी संबंध

Scientific Results about High Spatial Resolution Cathodoluminescence

[1] Mitsui, T; Sekiguchi, T; Fujita, D; Koguchi, N. (2005). "Comparison between electron beam and near-field light on the luminescence excitation of GaAs/AlGaAs semiconductor quantum dots". Jpn. J. Appl. Phys. 44 (4A): 1820–1824. Bibcode:2005JaJAP..44.1820M. doi:10.1143/JJAP.44.1820. S2CID 56031946.{{cite journal}}: CS1 maint: uses authors parameter (link)

[2] Klein, C. A. (1968). "Bandgap dependence and related features of radiation ionization energies in semiconductors". J. Appl. Phys. 39 (4): 2029–2038. Bibcode:1968JAP....39.2029K. doi:10.1063/1.1656484.

[3] Lähnemann, J.; Hauswald, C.; Wölz, M.; Jahn, U.; Hanke, M.; Geelhaar, L.; Brandt, O. (2014). "Localization and defects in axial (In,Ga)N/GaN nanowire heterostructures investigated by spatially resolved luminescence spectroscopy". J. Phys. D: Appl. Phys. 47 (39): 394010. arXiv:1405.1507. Bibcode:2014JPhD...47M4010L. doi:10.1088/0022-3727/47/39/394010. S2CID 118314773.

[4] Zagonel; et al. (2011). "Nanometer Scale Spectral Imaging of Quantum Emitters in Nanowires and Its Correlation to Their Atomically Resolved Structure". Nano Letters. 11 (2): 568–73. arXiv:1209.0953. Bibcode:2011NanoL..11..568Z. doi:10.1021/nl103549t. PMID 21182283. S2CID 18003378.

[5] "What is Quantitative Cathodoluminescence?". 2013-10-21. Archived from the original on 2016-10-29. Retrieved 2013-10-21.

[6] García de Abajo, F. J. (2010). "Optical excitations in electron microscopy" (PDF). Reviews of Modern Physics. 82 (1): 209–275. arXiv:0903.1669. Bibcode:2010RvMP...82..209G. doi:10.1103/RevModPhys.82.209. hdl:10261/79235. S2CID 119246090.

[7] Sapienza, R.;Coenen, R.; Renger, J.; Kuttge, M.; van Hulst, N. F.; Polman, A (2012). "Deep-subwavelength imaging of the modal dispersion of light". Nature Materials. 11 (9): 781–787. Bibcode:2012NatMa..11..781S. doi:10.1038/nmat3402. PMID 22902895. S2CID 31259521.{{cite journal}}: CS1 maint: uses authors parameter (link)

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