F-center
एक एफ केंद्र या फार्बे केंद्र (मूल जर्मन फार्बज़ेंट्रम से, जहाँ फार्बे का अर्थ है रंग और ज़ेंट्रम का अर्थ है केंद्र) एक प्रकार का क्रिस्टलोग्राफिक दोष है जिसमें एक क्रिस्टल जाली में एक आयनिक रिक्ति एक या अधिक गैर-युग्मित इलेक्ट्रॉनों द्वारा कब्जा कर ली जाती है। एक क्रिस्टल जाली में इस तरह की रिक्ति में इलेक्ट्रॉन दृश्य स्पेक्ट्रम में प्रकाश को इस तरह अवशोषित करते हैं कि एक सामग्री जो आमतौर पर पारदर्शी होती है वह रंगीन हो जाती है। एफ केंद्रों की संख्या जितनी अधिक होगी, यौगिक का रंग उतना ही तीव्र होगा। एफ केंद्र एक प्रकार के रंग केंद्र हैं। इसका उपयोग कई यौगिकों, विशेष रूप से जिंक ऑक्साइड (पीला) की पहचान करने के लिए किया जाता है। बिंदु दोषों की खोज से पहले यह पहले से ही ज्ञात था कि कुछ क्रिस्टल को विभिन्न तरीकों का उपयोग करके विकृत किया जा सकता है। 1830 में टी. जे. पियर्सल ने खोज की कि फ्लोरस्पार को बैंगनी प्रकाश का उपयोग करके विकृत किया जा सकता है। तीस साल बाद एक विशिष्ट धातु के साथ क्रिस्टल को पिघलाकर इसी तरह के परिणाम प्राप्त किए गए। 1921 में डब्ल्यू. रोंटजेन ने बड़े पैमाने पर चट्टान के लवणों को मापा। इन परीक्षणों के एक समूह ने एक्स-रे के साथ नमक के विकिरण के बाद एक फोटोइलेक्ट्रिक चालकता को 40,000 गुना अधिक मापा। एक्स-रे के समान परिणाम धातु के वाष्पों के साथ क्रिस्टल को रंगकर पूरा किया गया था। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव मुख्य रूप से विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के आसपास हुआ, जिसे बाद में प्रकृति में गैर-कोलॉइडल पाया गया। मलिनकिरणों को बाद में एफ केंद्र नाम दिया गया, जैसा कि फार्बे में रंग के लिए जर्मन शब्द है। 1933 में मोल्वो ने निष्कर्ष निकाला कि ये एफ केंद्र परमाणु क्रिस्टल दोष हैं। इस समय के आसपास लोगों ने दावा करना शुरू कर दिया कि ये दोष अप्रचलित इलेक्ट्रॉन थे। रिक्ति मॉडल का वर्णन पहली बार 1937 में किया गया था लेकिन फिर भी इसे अस्थायी माना जाता था। यह साबित करने में 1957 तक का समय लगा कि यह इलेक्ट्रॉन स्पिन अनुनाद का उपयोग करके सही था। एफ केंद्र प्राकृतिक रूप से यौगिकों (विशेष रूप से धातु ऑक्साइड) में हो सकते हैं क्योंकि जब उच्च तापमान पर गर्म किया जाता है तो आयन उत्तेजित हो जाते हैं और अपनी सामान्य क्रिस्टलोग्राफिक स्थिति से विस्थापित हो जाते हैं, जिससे खाली स्थानों में कुछ इलेक्ट्रॉन पीछे रह जाते हैं। यह प्रभाव धातु-अतिरिक्त दोष वाले आयनिक यौगिकों द्वारा भी प्रदर्शित किया जाता है। अक्सर एफ केंद्र पैरामैग्नेटिक होते हैं और इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक अनुनाद तकनीकों द्वारा अध्ययन किया जा सकता है। एफ केंद्र जिनका सबसे अधिक अध्ययन किया जाता है वे हैं जो क्षारीय धातु हैलाइड में होते हैं। क्षारीय धातु के हैलाइड आम तौर पर पारदर्शी होते हैं; वे दूर पराबैंगनी से दूर अवरक्त में अवशोषण नहीं दिखाते हैं। इस प्रकार ऑप्टिकल अवशोषण में किसी भी परिवर्तन का आसानी से पता लगाया जा सकता है और अध्ययन किया जा सकता है। सोडियम क्लोराइड में एफ केंद्रों का अवशोषण बैंड नीली रोशनी के आसपास स्थित होता है, जो पर्याप्त एफ केंद्र दोषों के साथ एक सोडियम क्लोराइड क्रिस्टल को एक पीला रंग देता है। अन्य क्षारीय क्लोराइडों में एफ केंद्र अवशोषण पट्टी का स्थान बैंगनी से लेकर पीले प्रकाश तक होता है। एफ केंद्रों के बनने का कारण यह है कि लिथियम क्लोराइड, पोटेशियम क्लोराइड और जिंक ऑक्साइड जैसे कुछ क्रिस्टल गर्म होने पर क्रमशः गुलाबी, लिलाक और पीले हो जाते हैं। यद्यपि एफ केंद्र अन्य सामग्रियों में देखे गए हैं, वे आम तौर पर उन सामग्रियों में रंग का कारण नहीं हैं। प्राकृतिक रूप से होने वाले एफ केंद्रों के कुछ उदाहरण हैं जो रंगों का कारण बनते हैं। एक संभावित उम्मीदवार खनिज ब्लू जॉन है। यह फ्लोराइट का एक रूप है, CaF2। हालाँकि इसकी पुष्टि नहीं हुई है, ऐसा माना जाता है कि रंग इलेक्ट्रॉन एफ केंद्रों के कारण होता है। ऐसा माना जाता है कि यह एफ केंद्र चट्टान में पास के यूरेनियम जमा होने के कारण बना है; रेडियोधर्मी क्षय विकिरण एफ केंद्र बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा का कारण बना। प्रकृति में पाए जाने वाले एफ केंद्र का एक और उदाहरण एक अपेक्षाकृत लंबे समय तक रहने वाला एफ केंद्र है जो प्रकाश के माध्यम से नीलम में पाया जाता है, जिसकी एक अध्ययन में लगभग 36 एमएस की अवधि थी। एफ केंद्रों के प्रकार सामग्री और विकिरण ऊर्जा के आधार पर विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉन केंद्र हैं। एक एफ केंद्र आमतौर पर एक जाली में एक स्थिति है जहां एक आयन, एक नकारात्मक रूप से आवेशित आयन, एक इलेक्ट्रॉन द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। एक एच केंद्र (एक हैलोजन अंतरालीय) एक अर्थ में एफ केंद्र के विपरीत है, ताकि जब दोनों एक क्रिस्टल में संपर्क में आते हैं तो वे दोनों दोषों को जोड़ते हैं और रद्द कर देते हैं। इस प्रक्रिया को फोटोइंड्यूस किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, लेजर का उपयोग करके। कभी-कभी एफ केंद्र एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन प्राप्त कर सकता है, जिससे एफ केंद्र नकारात्मक रूप से आवेशित हो जाता है, जैसे कि इसे एफ-केंद्र कहा जाता है। इसी तरह, जब एफ केंद्र एक इलेक्ट्रॉन से चूक जाता है, जब यह आयनित होता है, तो यह एक एफ + केंद्र होगा। एक-2ई आवेशित आयनन होना भी संभव है, जिसे एफ केंद्र बनाने के लिए 2 इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है। एक इलेक्ट्रॉन को जोड़ने या दूर करने से यह परंपरा के अनुसार क्रमशः एक एफ-या एफ + केंद्र बन जाएगा। एक अन्य प्रकार का एकल रिक्ति एफ केंद्र एफ. ए. केंद्र है जिसमें एक एफ केंद्र होता है जिसमें एक पड़ोसी सकारात्मक आयन होता है जिसे एक अलग प्रकार के सकारात्मक आयन द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। प्रतिस्थापन आयन के प्रकार के आधार पर इन एफ. ए. केंद्रों को दो समूहों, एफ. ए. (I) और एफ. ए. (II) में विभाजित किया गया है। एफ. ए. (I) केंद्रों में नियमित एफ केंद्रों के समान गुण होते हैं, जबकि एफ. ए. (II) केंद्र एक हैलाइड आयन के पुनर्स्थापन के कारण उत्तेजित अवस्था में दो संभावित कुओं का निर्माण करते हैं। एफ. ए. के समान एफ. बी. केंद्र है, जिसमें दो पड़ोसी सकारात्मक आयनों के साथ एक एफ केंद्र होता है, जिसे एक अलग प्रकार के सकारात्मक आयन द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। एफ. ए. (I) और एफ. ए. (II) केंद्रों के समान व्यवहार के साथ एफ. बी. केंद्रों को भी दो समूहों, एफ. बी. (I) और एफ. बी. (II) में विभाजित किया गया है। अशुद्ध आयनों के वितरण की सांख्यिकीय प्रकृति के कारण, एफ. ए. केंद्रों की तुलना में एफ. बी. केंद्र बहुत दुर्लभ हैं। पड़ोसी आयन रिक्तियों के कारण पड़ोसी एफ केंद्रों के जटिल एफ केंद्र संयोजन को क्रमशः दो और तीन पड़ोसियों, एफ 2 और एफ 3 केंद्रों के लिए बुलाया जाएगा। एफ केंद्रों के बड़े समुच्चय निश्चित रूप से संभव हैं, लेकिन इसके व्यवहार का विवरण अभी तक अज्ञात है। एक एफ2 केंद्र को आयनित भी किया जा सकता है, और एक एफ2 + केंद्र बनाया जा सकता है। जब यह प्रकार एक कैटायन अशुद्धता के बगल में पाया जाता है, तो यह एक (एफ2 +) ए केंद्र होता है। एफएस केंद्र एफ केंद्र क्रिस्टल में कहीं भी दिखाई दे सकते हैं लेकिन ऑक्साइड क्रिस्टल की सतह पर बनने पर उनके गुण काफी अलग होते हैं। एफएस केंद्रों में बंधे इलेक्ट्रॉनों में बल्क एफ केंद्रों की तुलना में छोटी संक्रमण ऊर्जा होती है। क्षारीय हैलाइड क्रिस्टल में सतह एफ केंद्र थोड़ा विचलित थोक केंद्र के रूप में व्यवहार करते हैं, जिसमें नीचे-0.1eV की शिफ्ट होती है। वे नियमित जाली बिंदुओं की तुलना में भी सतह से बाहर निकलते हैं। एफ केंद्र नियमित जाली स्थलों पर इलेक्ट्रॉनों की तुलना में कम बंधे होने के कारण, वे अधिशोषण के लिए उत्प्रेरक के रूप में काम करते हैं। हालांकि इसका मतलब है कि ये दोष ऑक्सीजन को अवशोषित करके खुली हवा में जल्दी खराब हो जाते हैं, लेकिन पर्यावरण से ऑक्सीजन को हटाकर प्रतिवर्ती होते हैं। एफ. एस. केंद्र का ई. एस. आर. वर्णक्रम ऑक्साइड में अतिसूक्ष्म संरचना में तापमान पर निर्भर है। यह सकारात्मक आयन के नाभिक में युग्मित इलेक्ट्रॉन तरंग फलन के बढ़ते अतिव्याप्त से उत्पन्न होना चाहिए। एफएस केंद्र को गर्म करके बदला या नष्ट किया जा सकता है। क्षारीय हैलाइड क्रिस्टल में दोष कम तापमान पर नष्ट हो जाते हैं। इन दोषों को नष्ट करने के लिए ऑक्साइड का तापमान काफी अधिक है, CaO के लिए 570 K। ऑक्साइड में एनीलिंग द्वारा जटिल एफ. एस. केंद्र बनाना संभव है। प्रयोगशाला विकिरण में एफ केंद्र बनाना पहले एफ केंद्र क्षारीय हैलाइड क्रिस्टल में बनाए गए थे। ये हैलाइड उच्च-ऊर्जा विकिरण के संपर्क में थे, जैसे कि एक्स-रे, गामा विकिरण या टेस्ला कॉइल। विकिरण द्वारा ऊर्जा अवशोषण के तीन तंत्र हैंः क) एक्साइटॉन का निर्माण। यह एक हैलाइड आयन में एक संयोजकता इलेक्ट्रॉन के उत्तेजना के बराबर है। प्राप्त ऊर्जा (आमतौर पर 7 या 8 ई. वी.) एक चमकदार फोटॉन के उत्सर्जन के माध्यम से आंशिक रूप से फिर से खो जाएगी। शेष ऊर्जा आयनों के विस्थापन के लिए उपलब्ध है। यह ऊर्जा जाली के माध्यम से ऊष्मा के रूप में विकीर्ण होती है। हालांकि, यह पता चला है कि उसकी ऊर्जा आयनों को स्थानांतरित करने के लिए बहुत कम है और इसलिए एफ केंद्रों को उत्पन्न करने में सक्षम नहीं है। ख) एकल आयनीकरण। यह एक इलेक्ट्रॉन को एक हैलाइड आयन से अलग करने के अनुरूप है; आवश्यक ऊर्जा एक्साइटॉन गठन की तुलना में लगभग 2 eV अधिक है। कोई कल्पना कर सकता है कि जिस हैलाइड आयन ने एक इलेक्ट्रॉन खो दिया है, वह अब अपने जाली स्थल पर ठीक से बंधा नहीं है। यह संभव है कि यह जाली के माध्यम से आगे बढ़े। बनाई गई रिक्ति अब इलेक्ट्रॉन को फँसा सकती है, जिससे एफ केंद्र बन सकता है। यदि हैलाइड आयन पहले इलेक्ट्रॉन को पुनः प्राप्त करता है, तो यह उत्तेजना निर्माण (2 ई. वी. अधिक) की तुलना में अधिक तापीय ऊर्जा छोड़ सकता है और यह अन्य आयनों को भी स्थानांतरित कर सकता है। (c) एकाधिक आयनीकरण। इस प्रक्रिया में सबसे अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। एक फोटॉन एक हैलाइड आयन के साथ अंतःक्रिया करता है, इसे दो बार आयनित करता है, जिससे यह सकारात्मक रूप से आवेशित हो जाता है। शेष आयन बहुत अस्थिर है और जल्दी से दूसरी स्थिति में चला जाएगा, जिससे एक रिक्ति रह जाएगी जो एक इलेक्ट्रॉन को एफ केंद्र बनने के लिए फँसा सकती है। दो इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करने के लिए, लगभग 18 eV की आवश्यकता होती है (KCl या NaCl के मामले में)। शोध से पता चलता है कि दस एकल आयनीकरणों में लगभग एक दोहरा आयनीकरण होता है। हालांकि, निर्मित सकारात्मक हैलाइड आयन आसानी से और जल्दी से एक इलेक्ट्रॉन को अपना लेगा, जिससे यह एफ केंद्र बनाने में असमर्थ हो जाएगा। एफ केंद्र निर्माण का सबसे संभावित तंत्र अभी तक निर्धारित नहीं किया गया है। दोनों संभव और संभावित हैं, लेकिन कौन सा एक बार सबसे अधिक होता है, यह अज्ञात है। एफ2 केंद्र का गठन बहुत समान है। एक एफ केंद्र आयनित होता है और एक रिक्ति बन जाता है; इलेक्ट्रॉन सामग्री के माध्यम से दूसरे एफ केंद्र से जुड़ने के लिए चलता है, जो एक एफ-केंद्र बन जाता है। इलेक्ट्रॉन रिक्ति सामग्री के माध्यम से चलती है और एफ-केंद्र के बगल में समाप्त होती है, जो अपने इलेक्ट्रॉन को रिक्ति में वापस देती है, जिससे दो पड़ोसी एफ केंद्र बनते हैं, अर्थात। एक एफ2 केंद्र। मिश्रित रंग रंग केंद्र बनाने का एक अलग तरीका मिश्रित रंग है। एफ केंद्रों वाला एक क्रिस्टल रासायनिक रूप से एक पूर्ण क्रिस्टल और क्षारीय धातु के स्टोइकियोमेट्रिक अधिशेष के बराबर होता है। यह संबंधित धातु के वाष्प में क्रिस्टल को उच्च तापमान पर गर्म करके किया जाता है। तापमान इसके पिघलने के बिंदु और उस तापमान से घिरा होता है जिस पर कोलॉइड बनते हैं, जैसे। के. सी. एल. के लिए ~ 400 और 768 डिग्री सेल्सियस के बीच। धातु परमाणुओं को क्रिस्टल की सतह पर पकड़ा जाता है, जहां वे आयनित होते हैं, और संयोजकता इलेक्ट्रॉन को क्रिस्टल जाली में स्थानांतरित किया जाता है। चूँकि यह प्रक्रिया उच्च तापमान पर होती है, इसलिए आयनों की गतिशीलता भी अधिक होती है। एक नकारात्मक आयन नवगठित आयन की ओर बढ़ेगा। यह एक आयनिक रिक्ति छोड़ देता है जो एक एफ केंद्र बनाने के लिए इलेक्ट्रॉन को फँसा सकता है। इसके बाद क्रिस्टल को बुझा दिया जाता है ताकि एफ केंद्रों को कोलॉइड बनाने के लिए क्रिस्टल के माध्यम से आगे बढ़ने से रोका जा सके। इस प्रक्रिया का एक उदाहरण धातु के सोडियम वातावरण में NaCl को गर्म करना है। Na0 → Na + + e − Na + को एक इलेक्ट्रॉन छोड़ने के बाद NaCl क्रिस्टल में शामिल किया जाता है। अतिरिक्त Na + को संतुलित करने के लिए एक Cl-रिक्ति उत्पन्न की जाती है। सी. एल.-रिक्ति का प्रभावी धनात्मक आवेश ना परमाणु द्वारा छोड़े गए इलेक्ट्रॉन को फँसा देता है। ऑक्साइड में कैशन की तुलना में एक अलग धातु के साथ एक क्रिस्टल को योगात्मक रूप से रंग देना संभव है। परिणामी अवशोषण स्पेक्ट्रा काफी हद तक वैसा ही है जैसे कि घटक धातु का उपयोग किया गया था। कम तापमान वाष्प निक्षेपण-200 डिग्री सेल्सियस से कम तापमान पर वाष्प निक्षेपण का उपयोग करके क्षारीय हैलाइड क्रिस्टल पर स्थिर एफ. एस. केंद्र बनाना संभव है। रंग केंद्रों पर आधारित लेजर को डाई लेजर के अनुरूप संचालित किया जाता है। वे प्रकाश के निकट अवरक्त क्षेत्र, 0.8 से 4.0 माइक्रोन तक की तरंग दैर्ध्य सीमा प्रदान करते हैं, इस प्रकार जहां डाई लेजर काम करने में विफल रहते हैं, वहां से ऊपर उठते हैं। स्पेक्ट्रम के निकट अवरक्त क्षेत्र में काम करने वाले लेजर का उपयोग अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी में प्रकाश स्रोत के रूप में किया जाता है, उदाहरण के लिए आणविक कंपन का अध्ययन करने के लिए उपयोग किया जाता है। केवल कुछ एफ केंद्र रंग केंद्र लेजर में अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त हैं, जिन्हें लेजर-सक्रिय एफ केंद्रों के रूप में जाना जाता है। सरल एफ केंद्र लेजर-सक्रिय नहीं होते हैं, लेकिन अधिक जटिल एफ केंद्रों को स्थिर रंग केंद्र लेजर बनाने के लिए दिखाया गया है। ये एफ. ए. (II), एफ. बी. (II), एफ2 + और (एफ2 +) ए केंद्र हैं। अन्य और भी अधिक जटिल एफ केंद्र संभावित रूप से लेजर-सक्रिय हैं, लेकिन वे रंग केंद्र लेजर भौतिकी में महत्वपूर्ण भूमिका नहीं निभाते हैं। रंग केंद्र लेजर में उपयोग किए जाने वाले एफ. ए. केंद्रों वाली सामग्री के उदाहरण पोटेशियम क्लोराइड (के. सी. एल.) या लिथियम क्लोराइड (एल. आई. सी. एल.) के साथ डोप किए गए रूबिडियम क्लोराइड (आर. बी. सी. एल.) के क्रिस्टल हैं, जिनमें एफ. एल. आई.-केंद्र होते हैं। ये क्रिस्टल 2,15 और 3.45 माइक्रोन के बीच तरंग दैर्ध्य की उत्सर्जन रेखाओं वाले रंग केंद्र लेजर के लिए अच्छी सामग्री पाए गए हैं। एफ केंद्रों में आमतौर पर दृश्य सीमा में एक अवशोषण पट्टी होती है, और उत्सर्जन स्टोक्स को लंबी तरंग दैर्ध्य में स्थानांतरित किया जाता है। शिखरों में अंतर अक्सर 2 के कारक से बड़ा होता है और परिणामस्वरूप उत्सर्जन अवरक्त के करीब होता है। हालांकि कम तापमान पर शिफ्ट छोटा हो जाता है, हालांकि कुछ क्रिस्टल हैं जो दृश्यमान प्रकाश उत्सर्जित करने में सक्षम हैं। ऐसा ही एक उदाहरण पाउडर एम. जी. ओ. है, जिसे योजक रंग के साथ उपचारित किया जाता है, जो निर्वात में बैंगनी प्रकाश को अवशोषित करके बैंगनी-नीले प्रकाश का उत्सर्जन करता है। इलेक्ट्राइड भी देखें, एक क्रिस्टल जहाँ सभी आयन इलेक्ट्रॉन होते हैं। रिक्ति दोष स्कॉटकी दोष फ्रेंकेल दोष नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र संदर्भ फोटोनिक्स शब्दकोश डब्ल्यू. हेस, ए. एम. स्टोनहैम "गैर-धातु ठोस पदार्थों में दोष और दोष प्रक्रियाएँ" विली 1985 के. एस. झीता और अन्य। आई. यू. ए. सी. दिल्ली, इंडियन जर्नल ऑफ प्योर एंड एप्लाइड फिजिक्स 2008 क्रिस्टलोग्राफिक दोष