الكاثودولومينيسسينس

الكاثودومينيسسينس هي ظاهرة بصرية وكهرومغناطيسية حيث تتسبب الإلكترونات التي تصطدم بمادة مضيئة مثل الفوسفور في انبعاث فوتونات قد يكون لها أطوال موجية في الطيف المرئي . ومن الأمثلة المألوفة توليد الضوء عن طريق شعاع إلكتروني يمسح السطح الداخلي المغطى بالفوسفور لشاشة تلفزيون يستخدم أنبوب أشعة الكاثود . الكاثودومينيسسينس هو عكس التأثير الكهروضوئي ، حيث يتم تحريض انبعاث الإلكترونات عن طريق الإشعاع بالفوتونات.

أصل

يحدث التلألؤ في أشباه الموصلات عندما يتحد إلكترون في نطاق التوصيل مع ثقب في نطاق التكافؤ. يمكن انبعاث طاقة الفرق (فجوة النطاق) لهذا الانتقال في شكل فوتون . تعتمد طاقة (لون) الفوتون واحتمال انبعاث فوتون وليس فونون على المادة ونقائها ووجود عيوب. أولاً، يجب إثارة الإلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل . في التلألؤ الكاثودي، يحدث هذا نتيجة لضرب شعاع إلكترون عالي الطاقة على أشباه الموصلات . ومع ذلك، تحمل هذه الإلكترونات الأولية طاقة أكبر بكثير من أن تثير الإلكترونات بشكل مباشر. بدلاً من ذلك، يؤدي التشتت غير المرن للإلكترونات الأولية في البلورة إلى انبعاث الإلكترونات الثانوية وإلكترونات أوجيه والأشعة السينية ، والتي بدورها يمكن أن تتشتت أيضًا. تؤدي مثل هذه السلسلة من أحداث التشتت إلى ما يصل إلى 10 ³ إلكترونات ثانوية لكل إلكترون ساقط. ^[1] يمكن لهذه الإلكترونات الثانوية إثارة إلكترونات التكافؤ في نطاق التوصيل عندما يكون لديها طاقة حركية تبلغ حوالي ثلاثة أضعاف طاقة فجوة النطاق للمادة . ^[2] ومن هناك يتحد الإلكترون مع ثقب في نطاق التكافؤ ويخلق فوتونًا. تنتقل الطاقة الزائدة إلى الفونونات وبالتالي تسخن الشبكة. تتمثل إحدى مزايا الإثارة باستخدام شعاع الإلكترون في أن طاقة فجوة النطاق للمواد التي يتم التحقيق فيها لا تقتصر على طاقة الضوء الساقط كما في حالة التألق الضوئي . لذلك، في التألق الكاثودي، يمكن أن يكون "شبه الموصل" المفحوص، في الواقع، أي مادة غير معدنية تقريبًا. من حيث بنية النطاق ، يمكن التعامل مع أشباه الموصلات الكلاسيكية والعوازل والسيراميك والأحجار الكريمة والمعادن والزجاج بنفس الطريقة. $(E_{kin}\approx 3E_{g})$

المجهر

مقطع رقيق من الكوارتز من الوريد الحراري المائي - على اليسار في CL وعلى اليمين في الضوء المنقول

في الجيولوجيا وعلم المعادن وعلم المواد وهندسة أشباه الموصلات ، يمكن استخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) المزود بجهاز كشف الكاثودولومينسنس، أو المجهر الكاثودولومينسنس الضوئي ، لفحص الهياكل الداخلية لأشباه الموصلات والصخور والسيراميك والزجاج وما إلى ذلك من أجل الحصول على معلومات حول تكوين ونمو وجودة المادة.

مجهر الكاثودولومينيسينس الضوئي

يجمع المجهر الكاثودوليمينيسينس ( CL ) بين المجهر الضوئي العادي وأنبوب أشعة الكاثود . وهو مصمم لتصوير خصائص التلألؤ للمقاطع الرقيقة المصقولة من المواد الصلبة التي تتعرض لشعاع إلكتروني .

باستخدام مجهر الكاثودولومينيسينس، يمكن جعل الهياكل الموجودة داخل البلورات أو الأقمشة مرئية والتي لا يمكن رؤيتها في ظروف الإضاءة العادية. وبالتالي، على سبيل المثال ، يمكن الحصول على معلومات قيمة عن نمو المعادن. يستخدم المجهر الضوئي الكاثودوليسينس في الجيولوجيا وعلم المعادن وعلوم المواد للتحقيق في الصخور والمعادن والرماد البركاني والزجاج والسيراميك والخرسانة والرماد المتطاير وما إلى ذلك .

يعتمد لون وشدة CL على خصائص العينة وعلى ظروف عمل مدفع الإلكترون . هنا، يكون جهد التسارع وتيار شعاع الإلكترون ذا أهمية كبيرة. اليوم، يتم استخدام نوعين من المجاهر CL. أحدهما يعمل مع " كاثود بارد " يولد شعاع إلكترون بواسطة أنبوب تفريغ الإكليل ، والآخر ينتج شعاعًا باستخدام " كاثود ساخن ". تعد مجاهر CL ذات الكاثود البارد أبسط الأنواع وأكثرها اقتصادا. على عكس تقنيات القصف الإلكتروني الأخرى مثل المجهر الإلكتروني ، يوفر مجهر الكاثود الضوئي البارد أيونات موجبة جنبًا إلى جنب مع الإلكترونات التي تحيد تراكم الشحنة السطحية وتزيل الحاجة إلى تطبيق الطلاء الموصل على العينات. يولد نوع "الكاثود الساخن" شعاع إلكترون بواسطة مدفع إلكترون بخيوط التنغستن. تتمثل ميزة الكاثود الساخن في شدة الشعاع العالية التي يمكن التحكم فيها بدقة مما يسمح بتحفيز انبعاث الضوء حتى على المواد ذات الإضاءة الضعيفة (مثل الكوارتز - انظر الصورة). لمنع شحن العينة، يجب طلاء السطح بطبقة موصلة من الذهب أو الكربون . يتم ذلك عادةً بواسطة جهاز ترسيب بالرش أو طلاء كربوني.

الكاثودولومينيسنس من المجهر الإلكتروني الماسح

رسم تخطيطي لنظام الكاثودومينيسنس: يمر شعاع الإلكترون عبر فتحة صغيرة في المرآة المكافئة التي تجمع الضوء وتعكسه إلى جهاز قياس الطيف . يمكن استخدام جهاز اقتران الشحنة (CCD) أو مضاعف ضوئي (PMT) للكشف المتوازي أو أحادي اللون على التوالي. يمكن تسجيل إشارة تيار مستحث بواسطة شعاع الإلكترون (EBIC) في نفس الوقت.

رسم تخطيطي لعدسة كاثودية مضيئة تم إدخالها في عمود المجهر الإلكتروني الماسح

في المجاهر الإلكترونية الماسحة، يصطدم شعاع مركّز من الإلكترونات بعينة ويحثها على إصدار ضوء يتم جمعه بواسطة نظام بصري، مثل المرآة الإهليلجية. ومن هناك، ينقل الألياف الضوئية الضوء خارج المجهر حيث يتم فصله إلى أطوال موجية مكونة له بواسطة أحادي اللون ثم يتم اكتشافه باستخدام أنبوب مضاعف ضوئي . من خلال مسح شعاع المجهر في نمط XY وقياس الضوء المنبعث مع الشعاع عند كل نقطة، يمكن الحصول على خريطة للنشاط الضوئي للعينة (التصوير الكاثودولي). بدلاً من ذلك، من خلال قياس اعتماد الطول الموجي لنقطة ثابتة أو منطقة معينة، يمكن تسجيل الخصائص الطيفية (التحليل الطيفي الكاثودولي). علاوة على ذلك، إذا تم استبدال أنبوب المضاعف الضوئي بكاميرا CCD ، فيمكن قياس طيف كامل عند كل نقطة من الخريطة ( التصوير الطيفي الفائق ). علاوة على ذلك، يمكن ربط الخصائص البصرية لجسم ما بالخصائص البنيوية التي لوحظت باستخدام المجهر الإلكتروني.

تتمثل المزايا الأساسية لتقنية المجهر الإلكتروني في دقتها المكانية. في المجهر الإلكتروني الماسح، تكون الدقة التي يمكن تحقيقها في حدود بضعة نانومترات، ^[3] بينما في المجهر الإلكتروني النافذ (المسح)، يمكن حل السمات بحجم النانومتر. ^[4] بالإضافة إلى ذلك، من الممكن إجراء قياسات زمنية بمستوى النانو ثانية إلى البيكو ثانية إذا كان من الممكن "تقطيع" شعاع الإلكترون إلى نبضات نانوية أو بيكو ثانية بواسطة جهاز تقطيع الشعاع أو باستخدام مصدر إلكترون نبضي. هذه التقنيات المتقدمة مفيدة لفحص الهياكل شبه الموصلة منخفضة الأبعاد، مثل الآبار الكمومية أو النقاط الكمومية .

في حين يوفر المجهر الإلكتروني المزود بكاشف الكاثودومينيسنس تكبيرًا عاليًا، يستفيد المجهر الكاثودومينيسنس الضوئي من قدرته على إظهار سمات الألوان المرئية الفعلية مباشرة من خلال العدسة العينية. تحاول الأنظمة التي تم تطويرها مؤخرًا الجمع بين المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني للاستفادة من كلتا التقنيتين. ^[5]

التطبيقات الموسعة

على الرغم من أن أشباه الموصلات ذات الفجوة النطاقية المباشرة مثل GaAs أو GaN يمكن فحصها بسهولة باستخدام هذه التقنيات، فإن أشباه الموصلات غير المباشرة مثل السيليكون تصدر أيضًا توهجًا كاثودوليًا ضعيفًا، ويمكن فحصها أيضًا. على وجه الخصوص، يختلف توهج السيليكون المخلوع عن السيليكون الجوهري، ويمكن استخدامه لرسم خريطة للعيوب في الدوائر المتكاملة .

في الآونة الأخيرة، يتم استخدام الكاثودومينيسسينس الذي يتم إجراؤه في المجاهر الإلكترونية لدراسة رنينات البلازمون السطحي في الجسيمات النانوية المعدنية . ^{[6] يمكن}للبلازمونات السطحية في الجسيمات النانوية المعدنية امتصاص وانبعاث الضوء، على الرغم من أن العملية تختلف عن تلك الموجودة في أشباه الموصلات. وبالمثل، تم استغلال الكاثودومينيسسينس كمسبار لرسم خريطة الكثافة المحلية لحالات البلورات الفوتونية العازلة المستوية والمواد الفوتونية النانوية. ^[7]

انظر أيضا

مراجع

^ ميتسوي، تي؛ سيكيجوتشي، تي؛ فوجيتا، د؛ كوغوتشي، ن. (2005). “مقارنة بين شعاع الإلكترون وضوء المجال القريب على إثارة التلألؤ للنقاط الكمومية لأشباه الموصلات GaAs / AlGaAs”. اليابان. تطبيق J. فيز . 44 (4A): 1820–1824 . بيب كود :2005JaJAP ..44.1820M. دوى :10.1143/JJAP.44.1820. S2CID 56031946.
^ كلاين، سي إيه (1968). "اعتماد فجوة النطاق والسمات ذات الصلة لطاقات تأين الإشعاع في أشباه الموصلات". مجلة الفيزياء التطبيقية 39 (4): 2029– 2038. رمز Bibcode :1968JAP....39.2029K. doi :10.1063/1.1656484.
^ Lähnemann, J.; Hauswald, C.; Wölz, M.; Jahn, U.; Hanke, M.; Geelhaar, L.; Brandt, O. (2014). "التوطين والعيوب في البنى غير المتجانسة للأسلاك النانوية المحورية (In,Ga)N/GaN التي تم التحقيق فيها بواسطة مطيافية التلألؤ المحلولة مكانيًا". J. Phys. D: Appl. Phys . 47 (39): 394010. arXiv : 1405.1507 . Bibcode :2014JPhD...47M4010L. doi :10.1088/0022-3727/47/39/394010. S2CID 118314773.
^ Zagonel؛ وآخرون (2011). "التصوير الطيفي بمقياس النانومتر للباعثات الكمومية في الأسلاك النانوية وارتباطه ببنيتها المحلولة ذريًا". Nano Letters . 11 (2): 568– 73. arXiv : 1209.0953 . Bibcode :2011NanoL..11..568Z. doi :10.1021/nl103549t. PMID 21182283. S2CID 18003378.
^ "ما هو الكاثودومينيسسينس الكمي؟". 2023-08-23.
^ García de Abajo, FJ (2010). "الإثارات الضوئية في المجهر الإلكتروني" (PDF) . مراجعات الفيزياء الحديثة . 82 (1): 209– 275. arXiv : 0903.1669 . Bibcode :2010RvMP...82..209G. doi :10.1103/RevModPhys.82.209. hdl :10261/79235. S2CID 119246090.
^ Sapienza, R.; Coenen, R.; Renger, J.; Kuttge, M.; van Hulst, NF; Polman, A (2012). "التصوير تحت الطول الموجي العميق لتشتت الضوء النمطي". Nature Materials . 11 (9): 781– 787. Bibcode :2012NatMa..11..781S. doi :10.1038/nmat3402. PMID 22902895. S2CID 31259521.

قراءة إضافية

كوينين، ت. (2014). التصوير النانوي للتوهج الكاثودي ذو الزاوية المحلولة (أطروحة). جامعة أمستردام. hdl :11245/1.417564.
أشعة الإلكترونات تجعل البنى النانوية متوهجة [PDF]، ES Reich، Nature 493، 143 (2013)
لاهنمان، J. (2013). تلألؤ الأسلاك النانوية من المجموعة III-V التي تحتوي على هياكل متغايرة (pdf) (أطروحة دكتوراه). جامعة هومبولت في برلين.
كوتجي، م. (2009). مجهر البلازمون الكاثودوليمينيسينس (ملف بي دي إف) (أطروحة). جامعة أوتريخت.
مجهر الكاثودومينيسسينت الماسح، سي إم باريش وبي إي راسل، في التقدم في التصوير والفيزياء الإلكترونية، المجلد 147، تحرير بي دبليو هوكس، ص 1 (2007)
نظرة سريعة على تحليلات الكاثودولومينيسن وأثرها على تفسير خزانات الكربونات. دراسة حالة خزانات الأووليت في منتصف العصر الجوراسي في حوض باريس أرشيف 2018-09-25 على موقع واي باك مشين ، ب. جرانير و ج. ستافيلباخ (2009)
مجهر الكاثودولومينيسينس للمواد الصلبة غير العضوية، بي جي ياكوبي ودي بي هولت، نيويورك، سبرينغر (1990)

روابط خارجية

تطبيق مطيافية الكاثودولومينيسنت ذات الدقة الزمنية في مختبر بول درودي
LumiSpy – تحليل بيانات مطيافية التلألؤ باستخدام بايثون
نتائج علمية حول الكاثودولومينيسينس عالي الدقة المكانية أرشيف 2020-07-27 على موقع واي باك مشين

Original text

Rate this translation

Your feedback will be used to help improve Google Translate

[1] ميتسوي، تي؛ سيكيجوتشي، تي؛ فوجيتا، د؛ كوغوتشي، ن. (2005). “مقارنة بين شعاع الإلكترون وضوء المجال القريب على إثارة التلألؤ للنقاط الكمومية لأشباه الموصلات GaAs / AlGaAs”. اليابان. تطبيق J. فيز . 44 (4A): 1820–1824 . بيب كود :2005JaJAP ..44.1820M. دوى :10.1143/JJAP.44.1820. S2CID 56031946.

[2] كلاين، سي إيه (1968). "اعتماد فجوة النطاق والسمات ذات الصلة لطاقات تأين الإشعاع في أشباه الموصلات". مجلة الفيزياء التطبيقية 39 (4): 2029– 2038. رمز 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). "التوطين والعيوب في البنى غير المتجانسة للأسلاك النانوية المحورية (In,Ga)N/GaN التي تم التحقيق فيها بواسطة مطيافية التلألؤ المحلولة مكانيًا". 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؛ وآخرون (2011). "التصوير الطيفي بمقياس النانومتر للباعثات الكمومية في الأسلاك النانوية وارتباطه ببنيتها المحلولة ذريًا". Nano Letters . 11 (2): 568– 73. arXiv : 1209.0953 . Bibcode :2011NanoL..11..568Z. doi :10.1021/nl103549t. PMID 21182283. S2CID 18003378.

[5] "ما هو الكاثودومينيسسينس الكمي؟". 2023-08-23.

[6] García de Abajo, FJ (2010). "الإثارات الضوئية في المجهر الإلكتروني" (PDF) . مراجعات الفيزياء الحديثة . 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, NF; Polman, A (2012). "التصوير تحت الطول الموجي العميق لتشتت الضوء النمطي". Nature Materials . 11 (9): 781– 787. Bibcode :2012NatMa..11..781S. doi :10.1038/nmat3402. PMID 22902895. S2CID 31259521.

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗