Electroreflectance
विद्युत परावर्तन (यह भीः विद्युत प्रतिरूपित परावर्तन) एक ठोस के निकट या तरल के साथ ठोस के इंटरफेस पर एक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव के कारण एक ठोस की परावर्तनशीलता का परिवर्तन है। परावर्तनशीलता में परिवर्तन फोटॉन ऊर्जा की बहुत विशिष्ट श्रेणियों में सबसे अधिक ध्यान देने योग्य है, जो ब्रिलौइन क्षेत्र के महत्वपूर्ण बिंदुओं पर बैंड अंतराल के अनुरूप है। विद्युत-परावर्तन प्रभाव का उपयोग महत्वपूर्ण बिंदुओं पर बैंड संरचना की एक स्पष्ट तस्वीर प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है जहां बहुत अधिक निकट अपक्षय होता है। आम तौर पर, महत्वपूर्ण बिंदुओं (विशेष रुचि के बिंदुओं) पर बैंड संरचना को ब्रिलौइन क्षेत्र सीमा पर गैर-महत्वपूर्ण बिंदुओं से अवशोषण की पृष्ठभूमि के भीतर मापा जाना चाहिए। एक मजबूत विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके, अधिशोषण स्पेक्ट्रम को एक स्पेक्ट्रम में बदला जा सकता है जो इन महत्वपूर्ण बिंदुओं पर शिखर दिखाता है, अनिवार्य रूप से पृष्ठभूमि से महत्वपूर्ण बिंदुओं को उठाता है। प्रभाव को पहले अर्धचालक सामग्री में खोजा और समझा गया था, लेकिन बाद के शोध ने साबित किया कि धातुएं भी विद्युत परावर्तन प्रदर्शित करती हैं। वर्तमान विद्युत क्षेत्र के कारण सोने की बदलती प्रकाशिक परावर्तनशीलता के प्रारंभिक अवलोकन को पड़ोसी तरल के अपवर्तक सूचकांक में परिवर्तन के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था। हालाँकि, यह दिखाया गया कि ऐसा नहीं हो सकता था। नया निष्कर्ष यह था कि प्रभाव सोने की निकट-सतह परत के मॉडुलन से आना था। सैद्धांतिक विवरण इलेक्ट्रॉनिक संरचना पर विद्युत क्षेत्र का प्रभाव जब किसी धातु या अर्धचालक पर विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है, तो सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक संरचना बदल जाती है। इलेक्ट्रॉन (और अन्य आवेशित कण) पदार्थ के भीतर खुद को पुनर्स्थापित करके विद्युत क्षेत्र पर प्रतिक्रिया करेंगे। धातुओं में इलेक्ट्रॉन अपेक्षाकृत आसानी से घूम सकते हैं और बहुतायत में उपलब्ध हैं। वे इस तरह से आगे बढ़ेंगे कि वे बाहरी विद्युत क्षेत्र को रद्द करने की कोशिश करेंगे। चूँकि कोई भी धातु एक पूर्ण चालक नहीं है, इसलिए कोई भी धातु सामग्री के भीतर बाहरी विद्युत क्षेत्र को पूरी तरह से रद्द नहीं करेगी। अर्धचालकों में जो इलेक्ट्रॉन उपलब्ध हैं वे धातुओं में इलेक्ट्रॉनों की तरह आसानी से घूमने में सक्षम नहीं होंगे। यह एक कमजोर प्रतिक्रिया और विद्युत क्षेत्र के कमजोर रद्दीकरण की ओर ले जाता है। इसका प्रभाव यह है कि विद्युत क्षेत्र धातु की तुलना में अर्धचालक में गहराई से प्रवेश कर सकता है। एक (अर्ध-) चालक की प्रकाशिक परावर्तनशीलता सामग्री की सतह के करीब या उस पर सामग्री की पट्टी संरचना पर आधारित होती है। परावर्तनशीलता के लिए एक फोटॉन में फर्मी सतह पर इलेक्ट्रॉनों के बैंडगैप को दूर करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होनी चाहिए। जब फोटॉन ऊर्जा बैंडगैप से छोटी होती है, तो ठोस एक इलेक्ट्रॉन को उच्च ऊर्जा में उत्तेजित करके फोटॉन की ऊर्जा को अवशोषित करने में असमर्थ होगा। इसका मतलब है कि फोटॉन ठोस द्वारा फिर से उत्सर्जित नहीं होगा और इस प्रकार परावर्तित नहीं होगा। यदि फोटॉन ऊर्जा फर्मी सतह से एक इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करने के लिए पर्याप्त बड़ी है, तो ठोस इलेक्ट्रॉन को मूल ऊर्जा में वापस क्षय करके फोटॉन को फिर से उत्सर्जित करेगा। यह वास्तव में आपतित फोटॉन के समान फोटॉन नहीं है, क्योंकि इसमें उदाहरण के लिए आपतित फोटॉन की विपरीत दिशा है। सामग्री पर एक विद्युत क्षेत्र लागू करने से, ठोस की पट्टी संरचना बदल जाती है। बैंड संरचना में यह परिवर्तन एक अलग बैंडगैप की ओर ले जाता है, जो बदले में ऑप्टिकल परावर्तनशीलता में अंतर की ओर ले जाता है। विद्युत क्षेत्र, जो आम तौर पर एक संभावित अंतर पैदा करके बनाया जाता है, एक परिवर्तित हैमिल्टनियन की ओर ले जाता है। उपलब्ध विश्लेषणात्मक विधियों का उपयोग करते हुए, जैसे कि टाइट बाइंडिंग विधि, यह गणना की जा सकती है कि यह परिवर्तित हैमिल्टनियन एक अलग बैंड संरचना की ओर ले जाता है। इलेक्ट्रॉन पुनर्स्थापना के संयोजन और बाहरी विद्युत क्षेत्र के कारण बैंड संरचना में परिवर्तन को क्षेत्र प्रभाव कहा जाता है। चूँकि धातुओं की तुलना में अर्धचालकों पर विद्युत क्षेत्र का अधिक प्रभाव पड़ता है, इसलिए विद्युत परावर्तन प्रभाव का निरीक्षण करने के लिए अर्धचालकों का उपयोग करना आसान होता है। सतह के पास (अर्ध-) चालकों में ऑप्टिकल परावर्तन ज्यादातर सामग्री के सतह क्षेत्र में होता है। इसलिए, इस क्षेत्र की बैंड संरचना अतिरिक्त महत्वपूर्ण है। बैंड संरचना आमतौर पर थोक सामग्री को शामिल करती है। इस संरचना से विचलन के लिए, एक बैंड आरेख का उपयोग करना पारंपरिक है। एक बैंड आरेख में x-अक्ष को बैंड संरचना आरेख में वेववेक्टर k से पसंदीदा दिशा में x की स्थिति में बदल दिया जाता है। आमतौर पर, यह स्थितिगत दिशा सतह तल के लिए सामान्य होती है। विशेष रूप से अर्धचालकों के लिए, सामग्री की सतह के पास बैंड आरेख महत्वपूर्ण है। जब कोई विद्युत क्षेत्र सामग्री के पास या उसमें मौजूद होता है, तो इससे अर्धचालक के भीतर एक संभावित अंतर पैदा होगा। विद्युत क्षेत्र पर निर्भर, अर्धचालक सतह क्षेत्र में एन-या पी-जैसा हो जाएगा। अब से हम उपयोग करेंगे कि अर्धचालक सतह पर एन-जैसा हो गया है। सतह के पास के बैंड लागू विद्युत क्षेत्र की स्थिरविद्युत क्षमता के तहत झुकेंगे। इस झुकने की व्याख्या उसी तरह की जा सकती है जैसे पी-एन-जंक्शन में संयोजकता और चालन पट्टियों का झुकना, जब संतुलन तक पहुँच जाता है। इस झुकने का परिणाम एक चालन पट्टी की ओर ले जाता है जो फर्मी स्तर के करीब आता है। इसलिए, चालन पट्टी इलेक्ट्रॉनों से भरनी शुरू हो जाएगी। बैंड संरचना में इस परिवर्तन से अर्धचालक के ऑप्टिकल परावर्तन में परिवर्तन होता है। ब्रिलौइन क्षेत्र और ऑप्टिकल परावर्तनशीलता ऑप्टिकल परावर्तनशीलता और ब्रिलौइन क्षेत्र निकटता से जुड़े हुए हैं, क्योंकि ब्रिलौइन क्षेत्र में बैंड अंतराल ऊर्जा निर्धारित करती है कि कोई फोटॉन अवशोषित या परावर्तित है या नहीं। यदि ब्रिलौइन क्षेत्र में बैंड अंतराल ऊर्जा फोटॉन ऊर्जा से कम है, तो फोटॉन अवशोषित हो जाएगा, जबकि फोटॉन संचारित/परावर्तित होगा यदि बैंड अंतराल ऊर्जा फोटॉन ऊर्जा से बड़ी है। उदाहरण के लिए, दृश्य प्रकाश की फोटॉन ऊर्जा 1.8 eV (लाल प्रकाश) और 3.1 eV (बैंगनी प्रकाश) के बीच की सीमा में होती है, इसलिए यदि बैंड अंतराल ऊर्जा 3.2 eV से बड़ी है, तो दृश्य प्रकाश के फोटॉन अवशोषित नहीं होंगे, लेकिन परावर्तित/संचारित होंगेः सामग्री पारदर्शी दिखाई देती है। हीरा, क्वार्ट्ज आदि के मामले में ऐसा ही होता है। लेकिन अगर बैंड अंतर लगभग 2.6 eV है (यह कैडमियम सल्फाइड के लिए मामला है) तो केवल नीला और बैंगनी प्रकाश अवशोषित होता है, जबकि लाल और हरा प्रकाश संचारित होता है, जिसके परिणामस्वरूप एक लाल दिखने वाली सामग्री होती है। जब एक विद्युत क्षेत्र को एक (अर्ध) चालक में जोड़ा जाता है, तो सामग्री अपनी सतह पर एक विद्युत क्षेत्र को प्रेरित करके इस क्षेत्र को रद्द करने का प्रयास करेगी। इस विद्युत क्षेत्र के कारण, महत्वपूर्ण पट्टी अंतराल के आकार में परिवर्तन और इसलिए इसकी ऊर्जा में परिवर्तन के कारण सतह परत के प्रकाशिक गुण बदल जाएंगे। चूंकि बैंड अंतराल में परिवर्तन केवल (अर्ध) चालक की सतह पर होता है, इसलिए ऑप्टिकल गुण थोक सामग्री के मूल में नहीं बदलेंगे, लेकिन बहुत पतली फिल्मों के लिए, जहां लगभग सभी कण सतह पर पाए जा सकते हैं, ऑप्टिकल गुण बदल सकते हैंः विद्युत क्षेत्र की ताकत के आधार पर कुछ तरंग दैर्ध्य का अवशोषण या संचरण। अर्धचालक में कई यौगिक होने की स्थिति में इसके परिणामस्वरूप अधिक सटीक माप हो सकते हैं, व्यावहारिक रूप से डेटा के पृष्ठभूमि शोर को रद्द कर सकते हैं। आम तौर पर, बैंड अंतराल ब्रिलौइन क्षेत्र की सीमा के करीब या सबसे छोटे होते हैं। एक विद्युत क्षेत्र जोड़ने से उस सामग्री की पूरी पट्टी संरचना बदल जाएगी जहां विद्युत क्षेत्र प्रवेश करता है, लेकिन प्रभाव विशेष रूप से ब्रिलौइन क्षेत्र की सीमा पर ध्यान देने योग्य होगा। जब सबसे छोटा बैंड अंतराल आकार में बदलता है, तो यह पहले से ही बड़े बैंड अंतराल में परिवर्तन की तुलना में सामग्री की ऑप्टिकल परावर्तनशीलता को अधिक बदल देता है। इसे यह देखकर समझाया जा सकता है कि सबसे छोटा बैंड अंतराल बहुत अधिक परावर्तनशीलता निर्धारित करता है, क्योंकि कम ऊर्जा वाले फोटॉन को अवशोषित और पुनः उत्सर्जित नहीं किया जा सकता है। अर्धचालकों के प्रकाशिक गुण सीधे पदार्थ के परावैद्युत स्थिरांक से संबंधित होते हैं। यह परावैद्युत स्थिरांक निर्वात की पारगम्यता के संबंध में किसी सामग्री की विद्युत पारगम्यता के बीच का अनुपात देता है। किसी पदार्थ का काल्पनिक अपवर्तक सूचकांक परावैद्युत स्थिरांक के वर्गमूल द्वारा दिया जाता है। किसी पदार्थ के परावर्तन की गणना फ्रेसनेल समीकरणों का उपयोग करके की जा सकती है। एक वर्तमान विद्युत क्षेत्र परावैद्युत स्थिरांक को बदल देता है और इसलिए परावर्तन की तरह सामग्री के प्रकाशिक गुणों को बदल देता है। एक तरल (विद्युत दोहरी परत) के साथ अंतरफलक एक तरल के संपर्क में ठोस, एक विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति में, एक विद्युत दोहरी परत बनाता है। यह परत ठोस और तरल के इंटरफेस पर मौजूद होती है और यह ठोस की आवेशित सतह को ढकती है। यह विद्युत दोहरी परत ठोस की प्रकाशिक परावर्तनशीलता पर प्रभाव डालती है क्योंकि यह लोचदार प्रकाश प्रकीर्णन गुणों को बदल देती है। विद्युत दोहरी परत के निर्माण में अलग-अलग समयक्रम शामिल होते हैं, जैसे कि विश्राम का समय और चार्ज करने का समय। विश्राम समय को हम विसरण स्थिरांक और डेबी लंबाई के रूप में लिख सकते हैं। चार्जिंग समय को प्रतिनिधि प्रणाली के आकार से व्यक्त किया जा सकता है। डेबी लंबाई का उपयोग अक्सर विद्युत दोहरी परत की मोटाई के माप के रूप में किया जाता है। विद्युत परावर्तन के साथ विद्युत दोहरी परत को मापना चालन इलेक्ट्रॉनों के कारण अलग होने के कारण चुनौतीपूर्ण है। इलेक्ट्रोरिफ़्लेक्टेंस के प्रभाव के बारे में पहली बार 1965 से माइकलसन प्रयोगशाला, चाइना लेक, कैलिफोर्निया के बी. ओ. सेराफिन और आर. बी. हेस द्वारा एक समीक्षा पत्र में लिखा गया था, जहां वे जर्मेनियम में मौलिक किनारे के ऊपर फ्रांज-केल्डिश प्रभाव का अध्ययन कर रहे थे। उन्होंने पाया कि सामग्री के लिए न केवल इलेक्ट्रॉनों को अवशोषित करना संभव था, बल्कि उन्हें फिर से उत्सर्जित करना भी संभव था। इस खोज के बाद सेराफिन ने नई पाई गई घटना पर कई लेख लिखे हैं। शोध तकनीकें सतह भौतिकी में विद्युत-परावर्तन सतह भौतिकी अध्ययनों में विद्युत-परावर्तन का उपयोग करने से इसकी खोज से पहले उपयोग की जाने वाली तकनीकों की तुलना में कुछ प्रमुख लाभ मिलते हैं। इससे पहले, सतह की क्षमता का निर्धारण करना कठिन था क्योंकि आपको सतह पर विद्युत माप की आवश्यकता होती है और नीचे के थोक को शामिल किए बिना सतह क्षेत्र की जांच करना मुश्किल था। इलेक्ट्रो रिफ्लेक्टेंस को सतह पर विद्युत माप करने की आवश्यकता नहीं है, लेकिन केवल ऑप्टिकल माप का उपयोग करता है। इसके अलावा, सतह क्षमता और परावर्तनशीलता के बीच प्रत्यक्ष कार्यात्मक संबंधों के कारण हम पुरानी विधियों में आवश्यक अतिरिक्त वाहकों की गतिशीलता, प्रकीर्णन या ट्रैपिंग के बारे में बहुत सारी धारणाओं से छुटकारा पा सकते हैं। सतह के विद्युत क्षेत्र की जांच सतह द्वारा परावर्तित किरण के मॉडुलन द्वारा की जाती है। आने वाली किरण सामग्री में गहराई से प्रवेश नहीं करती है, इसलिए आप केवल नीचे के थोक के साथ बातचीत किए बिना सतह की जांच करते हैं। एस्पनेस की थर्ड-डेरिवेटिव थर्ड ऑर्डर स्पेक्ट्रोस्कोपी, जिसे कभी-कभी एस्पनेस की थर्ड-डेरिवेटिव के रूप में जाना जाता है, एक स्पेक्ट्रोस्कोपी माप के संकल्प को बढ़ाने के लिए उपयोग की जाने वाली तकनीक है। इस तकनीक का उपयोग सबसे पहले डी. ई. ने किया था। एस्पनेस ने 1971 में विद्युत-परावर्तन का अध्ययन किया। तीसरे क्रम के व्युत्पन्न का उपयोग किसी फलन के शिखर को तेज कर सकता है (चित्र देखें)। विशेष रूप से स्पेक्ट्रोस्कोपी में, जहां तरंग को कभी भी एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर नहीं मापा जाता है, लेकिन हमेशा एक पट्टी पर, इसका उपयोग शिखर को तेज करने के लिए किया जाता है, और इस प्रकार पट्टी को संकीर्ण किया जाता है। डेरिवेटिव्स का एक अन्य लाभ यह है कि बेसलाइन शिफ्ट्स को समाप्त कर दिया जाता है क्योंकि डेरिवेटिव्स को शिफ्ट्स से छुटकारा मिल जाता है। स्पेक्ट्रा में ये बदलाव उदाहरण के लिए सैंपल हैंडलिंग, लैंप या डिटेक्टर अस्थिरताओं के कारण हो सकते हैं। इस तरह, आप माप के कुछ पृष्ठभूमि शोर को समाप्त कर सकते हैं। अनुप्रयोग विद्युत-परावर्तन का उपयोग अक्सर कमजोर अर्धचालक पदार्थों की पतली फिल्मों के बैंड अंतराल और विद्युत गुणों को निर्धारित करने के लिए किया जाता है। दो अलग-अलग उदाहरण नीचे सूचीबद्ध हैं। कमरे के तापमान पर उच्च बैंड अंतराल अर्धचालकों के अनुसंधान को बढ़ाना टिन ऑक्साइड एस. एन. ओ. 2 जैसे व्यापक बैंड अंतराल अर्धचालकों में आम तौर पर उच्च रासायनिक स्थिरता और गतिशीलता होती है, बनाने के लिए सस्ते होते हैं और एक उपयुक्त बैंड संरेखण होता है, जिससे इन अर्धचालकों का उपयोग अक्सर विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक्स में पतली फिल्म ट्रांजिस्टर, लिथियम आयन बैटरी में एनोड और सौर कोशिकाओं में इलेक्ट्रॉन परिवहन परत के रूप में किया जाता है। एस. एन. ओ. 2 () का बड़ा बैंड अंतराल और बड़ी बंधन ऊर्जा () इसे पराबैंगनी आधारित उपकरणों में उपयोगी बनाती है। लेकिन थोक रूप में इसकी द्विध्रुव वर्जित पट्टी संरचना के साथ एक मौलिक समस्या उत्पन्न होती हैः संयोजकता से चालन पट्टी में संक्रमण द्विध्रुव वर्जित है क्योंकि दोनों प्रकार की अवस्थाएं इस प्रभाव के साथ सम समानता के साथ मौजूद हैं कि एस. एन. ओ. 2 का पट्टी किनारे का उत्सर्जन प्रकृति में निषिद्ध है। इसकी कम आयामी संरचना को नियोजित करके, आंशिक रूप से क्रिस्टल समरूपता को नष्ट करके, वर्जित द्विध्रुवीय संक्रमण को अनुमत में बदलकर इसकी भरपाई की जा सकती है। हालाँकि, कमरे के तापमान पर एस. एन. ओ. 2 में ऑप्टिकल संक्रमणों का निरीक्षण करना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि कम एस. एन. ओ. 2 संरचनाओं के यू. वी. क्षेत्र में प्रकाश अवशोषित करने की दक्षता बहुत कमजोर है और कम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों का पृष्ठभूमि प्रकीर्णन है। विद्युत-परावर्तन का उपयोग करके पतली फिल्मों के ऑप्टिकल संक्रमण को पुनर्प्राप्त किया जा सकता हैः एक विद्युत क्षेत्र में एक पतली फिल्म रखने से, ऑप्टिकल संक्रमण के महत्वपूर्ण बिंदुओं को बढ़ाया जाएगा, जबकि परावर्तनशीलता में परिवर्तन के कारण, कम ऊर्जा पृष्ठभूमि प्रकीर्णन कम हो जाता है। कार्बनिक अर्धचालकों में विद्युत-परावर्तन संयुग्म वाले कार्बनिक यौगिकों में अर्धचालक गुण हो सकते हैं। हालाँकि, उन कार्बनिक यौगिकों की चालकता और गतिशीलता अकार्बनिक अर्धचालकों की तुलना में बहुत कम है। यह मानते हुए कि कार्बनिक अर्धचालक के अणु जाली हैं, कार्बनिक अर्धचालकों के लिए अकार्बनिक अर्धचालकों के विद्युत परावर्तन की समान प्रक्रिया लागू की जा सकती है। हालांकि यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि अर्धचालकों में एक निश्चित द्वैतवाद हैः अंतर-आणविक चालन (एक अणु के अंदर) और अंतर-आणविक चालन (अणुओं के बीच), जिसे मापने के लिए ध्यान में रखा जाना चाहिए। विशेष रूप से पतली फिल्मों के लिए इस विधि का उपयोग करके कार्बनिक अर्धचालकों के बैंड अंतराल को सटीक रूप से निर्धारित किया जा सकता है। फोटो-रिफ्लेक्शन फील्ड इफेक्ट (सेमीकंडक्टर) बैंड स्ट्रक्चर ब्रिलौइन ज़ोन इलेक्ट्रिक डबल लेयर संदर्भ स्पेक्ट्रोस्कोपी सेमीकंडक्टर गुण इलेक्ट्रोस्टैटिक्स भी देखें।