Nano-ARPES
नैनो एंगल-रिज़ॉल्व्ड फोटोएमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (नैनो-ए. आर. पी. ई. एस.), प्रायोगिक तकनीक ए. आर. पी. ई. एस. (एंगल-रिज़ॉल्व्ड फोटोएमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी) का एक प्रकार है। इसमें सबमाइक्रॉन पार्श्व संकल्प के साथ संवेग स्थान में सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना को सटीक रूप से निर्धारित करने की क्षमता है। इसकी मांग प्रयोगात्मक व्यवस्था के कारण, यह तकनीक एआरपीईएस की तुलना में बहुत कम विस्तारित है, जिसका व्यापक रूप से क्रिस्टलीय पदार्थों की एक विस्तृत श्रृंखला के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित करने के लिए संघनित पदार्थ भौतिकी में उपयोग किया जाता है। नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. उच्च ऊर्जा, गति और पार्श्व संकल्प के साथ अच्छी तरह से क्रमबद्ध मोनोक्रिस्टलाइन ठोस पदार्थों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना तक पहुंच सकते हैं, भले ही वे नैनोमेट्रिक या विषम मेसोस्कोपिक नमूने हों। नैनो-एआरपीईएस तकनीक भी आइंस्टीन के फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव पर आधारित है, जो फोटॉन-इन इलेक्ट्रॉन-आउट स्पेक्ट्रोस्कोपी है, जो क्वांटम और कम आयामी सामग्री जैसे नैनोमटेरियल्स की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का अध्ययन करने में एक आवश्यक उपकरण में परिवर्तित हो गया है। नैनोएआरपीईएस फर्मी स्तर के करीब और लगभग 10-15 ईवी नीचे की ऊर्जा वाले बैंड की अधिकृत इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं के इलेक्ट्रॉनों की बाध्यकारी ऊर्जाओं और तरंग संवेग के बीच संबंध को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित करने की अनुमति देता है। इन इलेक्ट्रॉनों को एक ठोस से तब बाहर निकाला जाता है जब यह सामग्री की सतह से फोटो इलेक्ट्रॉनों को उत्सर्जित करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा के साथ एकवर्णी फोटॉनों द्वारा प्रकाशित होता है। इन फोटोइलेक्ट्रॉनों का पता निर्वात में नमूनों की सतह के करीब रखे गए एक इलेक्ट्रॉन विश्लेषक द्वारा लगाया जाता है ताकि अप्रदूषित सतहों को संरक्षित किया जा सके और स्पेक्ट्रोमीटर के रास्ते में फोटोइलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा और प्रक्षेपवक्र को संशोधित करने में सक्षम कणों के साथ टकराव से बचा जा सके। जैसा कि प्रकाश उत्सर्जन प्रक्रिया में, संवेग संरक्षित होता है; इसलिए, एक मोनोक्रिस्टल से फोटोइलेक्ट्रॉन का कोणीय वितरण, भले ही वह एक नैनोमेट्रिक आकार का हो, उस क्रिस्टल में प्रारंभिक इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं के संवेग वितरण को सीधे प्रकट करने में भी सक्षम है। नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. परिणाम, ए. आर. पी. ई. एस. तकनीक की तरह, पारंपरिक रूप से अपरिवर्तनीय ब्रिलौइन क्षेत्र की उच्च समरूपता दिशाओं के साथ ऊर्जा-गति फैलाव संबंध के रूप में दिखाए जाते हैं, जो जांच की गई सामग्री के बैंड फैलाव को प्रदर्शित करते हैं। जब उत्सर्जित फोटोइलेक्ट्रॉन को पारस्परिक स्थान के बड़े हिस्से में स्थिर ऊर्जा सतहों द्वारा दिखाया जाता है, तो नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. भी जांच की गई सामग्री की फर्मी सतह को सटीक रूप से निर्धारित कर सकता है। नमूनों में इलेक्ट्रॉनों के इलेक्ट्रॉनिक फैलाव को स्थानिक रूप से मानचित्रित करने की अनूठी क्षमता के कारण, नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. उच्च बाध्यकारी ऊर्जा और गति संकल्प के साथ नैनोमटेरियल्स की इलेक्ट्रॉनिक इमेजिंग भी उत्पन्न कर सकता है। चूँकि नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. एक स्कैनिंग तकनीक है, यह अत्याधुनिक ए. आर. पी. ई. एस. स्पेक्ट्रोमीटरों का उपयोग कर सकता है, बिना उन्हें विश्लेषण किए गए फोटोइलेक्ट्रॉनों की उत्पत्ति को स्थानिक रूप से भेद करने में सक्षम होने की आवश्यकता के। नतीजतन, नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. उपकरण ए. आर. पी. ई. एस. सेटअप के लिए विकसित सबसे उन्नत स्पेक्ट्रोमीटरों से लाभ उठा सकते हैं, विशेष रूप से द्वि-आयामी पहचान और उच्च ऊर्जा और गति संकल्प के साथ नवीनतम पीढ़ी के इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोमीटर। पृष्ठभूमि ठोस पदार्थों की इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना की समझ को संघनित पदार्थ भौतिकी के कई क्षेत्रों में लागू किया जाता है, जो कई घटनात्मक प्रवृत्तियों की सूक्ष्म समझ में योगदान देता है और स्पिन-ध्रुवीकरण के प्रभाव सहित फोटोमिशन, प्रकाशिकी, अस्थिर न्यूट्रॉन प्रकीर्णन, विशिष्ट गर्मी में प्रयोगात्मक स्पेक्ट्रा की व्याख्या का मार्गदर्शन करता है। अधिकांश आधुनिक बैंड इलेक्ट्रॉनिक संरचना सैद्धांतिक विधियाँ एक ठोस में इलेक्ट्रॉनों के लिए पूर्ण बहु-शरीर श्रोडिंगर समीकरण को हल करने के लिए घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत का उपयोग करती हैं। ठोस पदार्थों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का वर्णन करने के लिए समेकित प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक दृष्टिकोण विशेष ऊर्जा और गति की अनुमत और निषिद्ध इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं की उपस्थिति के अनुसार कंडक्टरों, इंसुलेटरों और अर्धचालकों के बीच अंतर के सीधे दृश्य की अनुमति देता है, जिसकी गणना क्वांटम यांत्रिकी द्वारा की जा सकती है और एआरपीईएस का उपयोग करके मापा जा सकता है। ए. आर. पी. ई. एस. तकनीक में बैंड संरचना को सीधे निर्धारित करने की अनूठी क्षमता है। इस प्रकार यह ठोस पदार्थों में इलेक्ट्रॉन अंतःक्रिया की डिग्री और प्रकार को समझने में मदद करता है, विभिन्न सैद्धांतिक दृष्टिकोणों का उपयोग करके गणना किए गए बैंड इलेक्ट्रॉनिक संरचना परिणामों की पुष्टि या प्रतिस्पर्धा करता है। हालांकि, इस तकनीक का पार्श्व संकल्प, हेरफेर और विषम नमूनों के सबमाइक्रोमेट्रिक का अभिविन्यास सीमित है। ऐसा इसलिए है क्योंकि एआरपीईएस में मापे गए इलेक्ट्रॉन वे सभी इलेक्ट्रॉन हैं जो आपतित फोटॉनों द्वारा प्रेरित फोटो-अवशोषण प्रक्रिया द्वारा उत्सर्जित होते हैं। यदि नमूने का प्रकाशित क्षेत्र गैर-सजातीय क्षेत्रों को कवर करने के लिए पर्याप्त बड़ा है, तो पता लगाए गए उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन सभी अलग-अलग प्रकाशित पैच द्वारा उत्सर्जित सभी फोटो इलेक्ट्रॉनों का योग हैं। यदि प्रत्येक क्षेत्र में एक विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना है, तो एआरपीईएस स्पेक्ट्रा प्रकाशित क्षेत्र में मौजूद प्रत्येक अलग-अलग पैच के आकार के अनुसार भारित उन सभी का औसत दिखाएगा। वास्तव में, कई जटिल सामग्री अव्यवस्थित छोटे मोनोक्रिस्टल या कई नैनोमेट्रिक मोनोक्रिस्टल से बनी होती हैं। पारंपरिक ए. आर. पी. ई. एस. केवल तभी अपनी औसत इलेक्ट्रॉनिक संरचना प्रदान कर सकते हैं जब पैच का आकार ए. आर. पी. ई. एस. सेटअप के स्थान आकार से छोटा हो, आमतौर पर 200 यू. एम.। यह सीमा अवांछित साइड रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कारण विशिष्ट रासायनिक संरचना वाले माइक्रोमेट्रिक और सबमाइक्रोमेट्रिक क्षेत्रों वाले नमूनों में भी मौजूद है, उदाहरण के लिए, आदिम नमूने के संदूषण या ऑक्सीकरण से उत्पन्न होती है। इसलिए, पारंपरिक ए. आर. पी. ई. एस. के लिए मोनोक्रोमैटिक फोटॉन बीम का स्थान आकार आमतौर पर 200एन. एम. से अधिक होने के कारण, इस आकार या उससे बड़े के साथ केवल सजातीय नमूनों का अध्ययन किया जा सकता है। नतीजतन, छोटी क्रिस्टलीय सामग्री और विषमताओं वाले बड़े नमूनों की इलेक्ट्रॉनिक संरचना के प्रयोगात्मक निर्धारण को करने के लिए एआरपीईएस में एक उप-माइक्रोमेट्रिक पार्श्व संकल्प जोड़ा जाना चाहिए। नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. ने नैनोमेट्रिक पैमाने के भीतर फोटॉन आपतित किरण के आकार को केंद्रित करके इस पार्श्वीय भेदभाव को लागू किया है। इसी तरह ए. आर. पी. ई. एस. के लिए, नैनोमटेरियल्स की इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना को सीधे नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. का उपयोग करके निकाले गए इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा, वेग और पूर्ण गति को मापकर मापा जा सकता है। नैनोमेट्रिक पैमाने तक एक स्थान के आकार पर ध्यान केंद्रित करने वाले फोटॉन बीम को नियमित रूप से कुछ प्रसिद्ध एक्स-रे-आधारित विधियों में प्राप्त किया गया है, जैसे कि स्कैनिंग ट्रांसमिशन एक्स-रे माइक्रोस्कोपी (एसटीएक्सएम) और स्कैनिंग फोटोमिशन माइक्रोस्कोपी (एसपीईएम)। हालांकि, ये तकनीकें बहुत कम मांग वाली हैं क्योंकि वे आम तौर पर 150 ई. वी. से अधिक आपतित फोटॉन ऊर्जा का उपयोग करती हैं और गैर-कोण समाधान माप की आवश्यकता होती है, केवल क्रमशः एक्स-रे अवशोषण गुणांक और कोर-स्तर के फोटोइलेक्ट्रॉन के समानुपाती एकीकृत संकेतों को रिकॉर्ड करती हैं। दोनों ही मामलों में, फ्रेसनेल ज़ोन प्लेट्स (एफ. जेड. पी.) प्रदर्शन पार्श्व संकल्प का निर्धारण करने वाला आवश्यक घटक है, जो सूक्ष्म से नैनोमेट्रिक पार्श्व संकल्प तक भिन्न होता है। आजकल, बाजार में कई कंपनियां 30 एनएम से बेहतर रिज़ॉल्यूशन के साथ एफजेडपी प्रदान करती हैं, जिसने कई एक्स-रे आधारित सूक्ष्मदर्शी जैसे कि एसटीएक्सएम और एसपीईएम उपकरणों के निर्माण और संचालन को विभिन्न सिंक्रोट्रॉन विकिरण सुविधाओं जैसे कि एलेट्रा, एएलएस, सीएलएस और मैक्स-लैब में सुविधा प्रदान की है। हालाँकि, नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. तकनीक के लिए बहुत कम आपतित फोटॉन ऊर्जा की आवश्यकता होती है, आमतौर पर 6 ई. वी. से 100 ई. वी. तक) फर्मी स्तर के नीचे और करीब इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं द्वारा उत्सर्जित उन फोटो इलेक्ट्रॉनों का पता लगाने के लिए, जो आपतित फोटॉन ऊर्जा के कम होने पर क्रॉस-सेक्शन बढ़ जाता है। एक वैकल्पिक के-स्पेस इमेजिंग दृष्टिकोण ऊर्जा-फ़िल्टर फोटोमिशन माइक्रोस्कोप (पी. ई. ई. एम.) पर आधारित है, पार्श्व संकल्प घटना फोटॉन बीम को केंद्रित करने के बजाय एक इलेक्ट्रॉन ऑप्टिकल कॉलम का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। पी. ई. ई. एम. का यह पूर्ण-क्षेत्र के-स्पेस संस्करण व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है। हालांकि, के-स्पेस इमेजिंग के साथ इस व्यावसायिक रूप से उपलब्ध पूर्ण-क्षेत्र पी. ई. ई. एम. संस्करण के लिए, उच्च ऊर्जा और गति संकल्प प्राप्त करना चुनौतीपूर्ण है। इंस्ट्रूमेंटेशन आमतौर पर, उच्च ऊर्जा और गति रिज़ॉल्यूशन एआरपीईएस प्रयोग सिंक्रोट्रॉन पर किए जाते हैं, जो सीधे आदेशित सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना को रिकॉर्ड करने के लिए उज्ज्वल और ट्यूनेबल उच्च-ऊर्जा फोटॉन स्रोत प्रदान कर सकते हैं। यह तेज और सटीक ई बनाम के फैलाव और निरंतर ऊर्जा सतहों का उत्पादन करता है, जिसमें अध्ययन की गई सामग्री की फर्मी सतह के अनुरूप भी शामिल हैं। पारंपरिक ए. आर. पी. ई. एस. प्रणालियों में फोटॉनों की एक संकीर्ण किरण देने के लिए एक एकवर्णी प्रकाश स्रोत होता है, एक मैनिपुलेटर से जुड़ा एक नमूना धारक होता है जिसका उपयोग इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोमीटर (डिटेक्टर) से संबंधित नमूनों को कोणीय और अनुवादात्मक रूप से रखने के लिए किया जाता है, और आपतित प्रकाश किरण फोकस होता है। उपकरण एक अल्ट्रा-हाई वैक्यूम (यूएचवी) वातावरण के भीतर निहित है, जो नमूने को अवांछित संदूषण से बचाता है और उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों के प्रकीर्णन को रोकता है। गतिज ऊर्जा और उत्सर्जन कोण के लिए दो लंबवत दिशाओं में तितर-बितर होने के बाद, इलेक्ट्रॉनों को डिटेक्टर की ओर निर्देशित किया जाता है और एक गति दिशा के साथ बैंड संरचना के एआरपीईएस स्पेक्ट्रा-स्लाइस प्रदान करने के लिए गिना जाता है। अन्य पारंपरिक एआरपीईएस उपकरण से इसके विशिष्ट वाद्य विन्यास का मुख्य अंतर यह है कि नरम एक्स-रे बीम फ्रेसनेल ज़ोन प्लेट (एफजेडपी) लेंस का उपयोग करके एक सबमाइक्रोमेट्रिक स्थान पर केंद्रित होता है। नमूनों को एक उच्च-परिशुद्धता वाले मैनिपुलेटर पर लगाया जा सकता है जो x, y और z दिशाओं में नैनोस्केल नमूने की स्थिति सुनिश्चित करता है, जहां ध्रुवीय कोण (≤) और अजीमुथल कोण (π) को भी स्वचालित रूप से स्कैन किया जा सकता है। यह बुनियादी इंस्ट्रूमेंटेशन दो ऑपरेटिंग मोड की अनुमति देता हैः नैनो-एआरपीईएस समयनिष्ठ मोड (ऑपरेटिंग मोड प्रकार 1) नैनो-स्पॉट के साथ जो पारंपरिक एआरपीईएस की तरह अत्यधिक सहसंबद्ध और गैर-सहसंबद्ध सामग्रियों में अर्ध-कण गतिकी का अध्ययन करने के लिए नैनोमेट्रिक क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों की बैंड संरचना का मानचित्र बनाता है, और नैनो-एआरपीईएस इमेजिंग मोड (ऑपरेटिंग मोड प्रकार 2) जो एक चयनित बाध्यकारी ऊर्जा और गति मूल्य सीमा के फोटोइलेक्ट्रॉन के वास्तविक स्थान में स्थानिक वितरण को मापता है। अत्याधुनिक नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. सूक्ष्मदर्शी एफ. जेड. पी. के लिए नमूनों की स्थिति के निरंतर इंटरफेरोमेट्रिक नियंत्रण से लैस हैं, जो तापीय और यांत्रिक बहाव से बचाते हैं। यह अभिलिखित नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. छवियों (ऑपरेटिंग मोड प्रकार 2) की अवांछनीय विकृतियों और पारस्परिक स्थान की विशिष्ट दिशाओं के साथ ई बनाम के फैलाव वक्रों की सटीकता और प्रजनन क्षमता को रोकने के लिए आवश्यक है। पारस्परिक अंतरिक्ष और फर्मी सतह मानचित्रण में ऊर्जा स्थिर सतह नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. सेटअप में, उपयोग किए गए विश्लेषक अर्धगोलाकार इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हैं जो आमतौर पर उच्च ऊर्जा और कोणीय रिज़ॉल्यूशन पारंपरिक ए. आर. पी. ई. एस. उपकरण में स्थापित होती हैं। वे गति और ऊर्जा चैनलों के मिश्रण को रोकने के लिए एक चीरा का उपयोग करते हैं और इसके परिणामस्वरूप, केवल एक दिशा में कोणीय मानचित्र ले सकते हैं। पारंपरिक ए. आर. पी. ई. एस. की तरह ऊर्जा और द्वि-आयामी संवेग स्थान पर मानचित्रों को रिकॉर्ड करने के लिए, या तो नमूने को घुमाने की आवश्यकता होती है, या एकत्र किए गए फोटोइलेक्ट्रॉन बीम को इलेक्ट्रोस्टैटिक लेंस के साथ स्पेक्ट्रोमीटर के अंदर भेदभाव किया जाना चाहिए, जिससे नमूना स्थिर रहता है। ऊर्जा-कोण-कोण मानचित्रों को बाध्यकारी ऊर्जा-k// x-k// y मानचित्रों में परिवर्तित किया जाता है। ये छवियाँ पारस्परिक स्थान के k// x और k// y तरंग वैक्टरों के एक कार्य के रूप में स्थिर ऊर्जा सतहों को प्रदर्शित करती हैं। सबसे उल्लेखनीय स्थिर ऊर्जा सतह फर्मी सतह मानचित्र है, जिसे फर्मी स्तर पर बाध्यकारी ऊर्जा के साथ उन फोटो इलेक्ट्रॉनों का पता लगाकर प्राप्त किया जाता है। अनुप्रयोग नैनो-ए. आर. पी. ई. एस. तकनीक क्वांटम सामग्री उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर्स, टोपोलॉजिकल सामग्री अर्धचालक धातुओं, बहुत बड़े बैंड अंतराल वाले इंसुलेटर और कम आयामी सामग्री और विषम संरचनाओं की एक विस्तृत विविधता में विभिन्न संघनित पदार्थ क्षेत्रों में मेसोस्कोपिक या विषम सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना को हल करने के लिए एक आवश्यक उपकरण है। इसके अलावा, सभी प्रकार के चरण संक्रमणों, आवेश घनत्व तरंगों, बैंड संकरण चरण पृथक्करण, आवेश हस्तांतरण और इन-ऑपरेंडो उपकरणों से जुड़े इलेक्ट्रॉनिक संरचना परिवर्तनों को उच्च ऊर्जा और गति संकल्प के साथ नैनो-पार्श्व संकल्प के संयोजन से प्रकट किया जा सकता है। संघनित पदार्थ भौतिकी में संदर्भ प्रयोगशाला तकनीक उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी