Electroreflectance
الیکٹرو ریفلیکٹنس (یہ بھی: الیکٹرو ماڈیولڈ ریفلیکٹنس) کسی ٹھوس کے قریب، یا مائع کے ساتھ ٹھوس کے انٹرفیس پر برقی میدان کے اثر کی وجہ سے کسی ٹھوس کی عکاسی کی تبدیلی ہے۔ عکاسی میں تبدیلی فوٹون توانائی کی بہت مخصوص حدود میں سب سے زیادہ قابل توجہ ہے، جو برلوئن زون کے اہم مقامات پر بینڈ کے فرق سے مطابقت رکھتی ہے۔ الیکٹرو ریفلیکٹنس اثر کو اہم مقامات پر بینڈ کے ڈھانچے کی واضح تصویر حاصل کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے جہاں بہت زیادہ قریب انحطاط ہوتا ہے۔ عام طور پر، اہم نکات (خصوصی دلچسپی کے نکات) پر بینڈ کے ڈھانچے کو برلوئن زون کی حدود میں غیر اہم نکات سے جذب ہونے کے پس منظر میں ناپا جانا چاہیے۔ ایک مضبوط برقی میدان کا استعمال کرتے ہوئے، جذب کرنے والے سپیکٹرم کو ایک سپیکٹرم میں تبدیل کیا جا سکتا ہے جو ان اہم نکات پر چوٹیوں کو ظاہر کرتا ہے، بنیادی طور پر پس منظر سے اہم نکات کو اٹھاتا ہے۔ یہ اثر سب سے پہلے سیمی کنڈکٹر مواد میں دریافت اور سمجھا گیا تھا، لیکن بعد کی تحقیق سے ثابت ہوا کہ دھاتیں بھی برقی عکاسی کا مظاہرہ کرتی ہیں۔ موجودہ برقی میدان کی وجہ سے سونے کی بدلتی ہوئی نظری عکاسی کا ابتدائی مشاہدہ پڑوسی مائع کے اضطراری اشاریہ میں تبدیلی سے منسوب کیا گیا تھا۔ تاہم، یہ ظاہر کیا گیا کہ ایسا نہیں ہو سکتا۔ نیا نتیجہ یہ نکلا کہ اثر سونے کی قریب سطح کی پرت کے ماڈیولیشن سے آنا پڑا۔ نظریاتی تفصیل الیکٹرانک ڈھانچے پر برقی میدان کا اثر جب کسی دھات یا سیمی کنڈکٹر پر برقی میدان لگایا جاتا ہے تو مادے کی الیکٹرانک ساخت بدل جاتی ہے۔ الیکٹران (اور دیگر چارج شدہ ذرات) مادے کے اندر خود کو تبدیل کر کے برقی میدان پر رد عمل ظاہر کریں گے۔ دھاتوں میں موجود الیکٹران نسبتا آسانی سے حرکت کر سکتے ہیں اور کثرت سے دستیاب ہوتے ہیں۔ وہ اس انداز میں حرکت کریں گے کہ وہ بیرونی برقی میدان کو منسوخ کرنے کی کوشش کریں گے۔ چونکہ کوئی بھی دھات ایک کامل موصل نہیں ہے، اس لیے کوئی بھی دھات مواد کے اندر بیرونی برقی میدان کو مکمل طور پر منسوخ نہیں کرے گی۔ سیمی کنڈکٹرز میں جو الیکٹران دستیاب ہوتے ہیں وہ دھاتوں میں موجود الیکٹرانوں کی طرح آسانی سے حرکت نہیں کر پائیں گے۔ یہ کمزور ردعمل اور برقی میدان کی کمزور منسوخی کا باعث بنتا ہے۔ اس کا اثر یہ ہے کہ برقی میدان دھات کے مقابلے میں سیمی کنڈکٹر میں زیادہ گہرائی میں گھس سکتا ہے۔ (نیم) کنڈکٹر کی نظری عکاسی مواد کی سطح کے قریب یا اس پر موجود مواد کے بینڈ ڈھانچے پر مبنی ہوتی ہے۔ عکاسی کے ہونے کے لیے فوٹون میں اتنی توانائی ہونی چاہیے کہ وہ فرمی سطح پر الیکٹرانوں کے بینڈ گیپ پر قابو پا سکے۔ جب فوٹون توانائی بینڈ گیپ سے چھوٹی ہوتی ہے، تو ٹھوس الیکٹران کو زیادہ توانائی پر چڑھا کر فوٹون کی توانائی کو جذب کرنے سے قاصر ہوگا۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ فوٹون ٹھوس کے ذریعے دوبارہ خارج نہیں ہوگا اور اس طرح عکاسی نہیں کرے گا۔ اگر فوٹون توانائی اتنی بڑی ہے کہ فرمی کی سطح سے کسی الیکٹران کو متحرک کر سکتی ہے، تو ٹھوس الیکٹران کو دوبارہ اصل توانائی میں تبدیل کر کے فوٹون کو دوبارہ خارج کرے گا۔ یہ واقع فوٹون جیسا بالکل وہی فوٹون نہیں ہے، کیونکہ اس میں مثال کے طور پر واقع فوٹون کی مخالف سمت ہوتی ہے۔ مواد پر برقی میدان لگانے سے، ٹھوس کی بینڈ کی ساخت بدل جاتی ہے۔ بینڈ کے ڈھانچے میں یہ تبدیلی ایک مختلف بینڈ گیپ کی طرف لے جاتی ہے، جو بدلے میں نظری عکاسی میں فرق کا باعث بنتی ہے۔ برقی میدان، جو عام طور پر ممکنہ فرق پیدا کر کے بنایا جاتا ہے، ایک تبدیل شدہ ہیملٹنین کی طرف لے جاتا ہے۔ دستیاب تجزیاتی طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے، جیسے کہ ٹائٹ بائنڈنگ طریقہ، یہ حساب لگایا جا سکتا ہے کہ یہ تبدیل شدہ ہیملٹنین ایک مختلف بینڈ ڈھانچے کی طرف لے جاتا ہے۔ الیکٹران کی تبدیلی اور بیرونی برقی میدان کی وجہ سے بینڈ کی ساخت میں تبدیلی کو فیلڈ ایفیکٹ کہا جاتا ہے۔ چونکہ برقی میدان کا دھاتوں کے مقابلے میں سیمی کنڈکٹرز پر زیادہ اثر ہوتا ہے، اس لیے برقی عکاسی کے اثر کا مشاہدہ کرنے کے لیے سیمی کنڈکٹرز کا استعمال کرنا آسان ہے۔ سطح کے قریب (نیم) کنڈکٹرز میں نظری عکاسی زیادہ تر مواد کے سطح کے علاقے میں ہوتی ہے۔ اس لیے اس خطے کا بینڈ ڈھانچہ اضافی اہم ہے۔ بینڈ کا ڈھانچہ عام طور پر بلک مواد کا احاطہ کرتا ہے۔ اس ڈھانچے سے انحراف کے لیے، بینڈ خاکہ استعمال کرنا روایتی ہے۔ بینڈ ڈایٔیگرام میں x-محور کو بینڈ ڈھانچے کے ڈایٔیگرام میں ویو ویکٹر k سے ترجیحی سمت میں x پوزیشن میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ عام طور پر، یہ پوزیشن کی سمت سطحی سطح کے لیے نارمل ہوتی ہے۔ سیمی کنڈکٹرز کے لیے خاص طور پر، مواد کی سطح کے قریب بینڈ کا خاکہ اہم ہے۔ جب کوئی برقی میدان مواد کے قریب یا اس میں موجود ہوتا ہے، تو یہ سیمی کنڈکٹر کے اندر ممکنہ فرق کا باعث بنتا ہے۔ برقی میدان پر منحصر، سیمی کنڈکٹر سطح کے علاقے میں n-یا p-جیسا ہو جائے گا۔ اب سے ہم استعمال کریں گے کہ سیمی کنڈکٹر سطح پر n کی طرح ہو گیا ہے۔ سطح کے قریب بینڈ اطلاق شدہ برقی میدان کی برقی استعداد کے تحت جھک جائیں گے۔ اس موڑنے کی تشریح اسی طرح کی جا سکتی ہے جیسے پی-این-جنکشن میں ویلینس اور کنڈکشن بینڈ کا موڑنا، جب توازن تک پہنچ جاتا ہے۔ اس موڑ کا نتیجہ ایک کنڈکشن بینڈ کی طرف جاتا ہے جو فرمی سطح کے قریب آتا ہے۔ لہذا، کنڈکشن بینڈ الیکٹرانوں سے بھرنا شروع ہو جائے گا۔ بینڈ کے ڈھانچے میں یہ تبدیلی سیمی کنڈکٹر کے نظری عکاسی میں تبدیلی کا باعث بنتی ہے۔ برلوئن زون اور نظری عکاسی آپٹیکل عکاسی اور برلوئن زون قریب سے جڑے ہوئے ہیں، کیونکہ برلوئن زون میں بینڈ گیپ توانائی اس بات کا تعین کرتی ہے کہ آیا کوئی فوٹون جذب ہوا ہے یا عکاسی ہوئی ہے۔ اگر برلوئن زون میں بینڈ گیپ توانائی فوٹون توانائی سے کم ہے، تو فوٹون جذب ہو جائے گا، جبکہ فوٹون منتقل/عکاسی کرے گا اگر بینڈ گیپ توانائی فوٹون توانائی سے بڑی ہو۔ مثال کے طور پر، مرئی روشنی کی فوٹون توانائیاں 1.8 eV (سرخ روشنی) اور 3.1 eV (بنفشی روشنی) کے درمیان ہوتی ہیں، لہذا اگر بینڈ گیپ توانائی 3.2 eV سے بڑی ہے، تو مرئی روشنی کے فوٹون جذب نہیں ہوں گے، بلکہ عکاسی/منتقل ہوں گے: مواد شفاف ظاہر ہوتا ہے۔ ہیرے، کوارٹج وغیرہ کا یہی معاملہ ہے۔ لیکن اگر بینڈ کا فرق تقریبا 2.6 eV ہے (یہ کیڈیمیم سلفایڈ کا معاملہ ہے) تو صرف نیلی اور بنفشی روشنی جذب ہوتی ہے، جبکہ سرخ اور سبز روشنی منتقل ہوتی ہے، جس کے نتیجے میں سرخ نظر آنے والا مواد ہوتا ہے۔ جب کسی برقی میدان کو (نیم) موصل میں شامل کیا جاتا ہے، تو مواد اس کی سطح پر برقی میدان کو شامل کرکے اس میدان کو منسوخ کرنے کی کوشش کرے گا۔ اس برقی میدان کی وجہ سے، سطح کی پرت کی نظری خصوصیات بدل جائیں گی، اہم بینڈ کے خلا کے سائز میں تبدیلی کی وجہ سے، اور اس وجہ سے اس کی توانائی میں تبدیلی آئے گی۔ چونکہ بینڈ گیپ میں تبدیلی صرف (سیمی) کنڈکٹر کی سطح پر ہوتی ہے، لہذا بلک میٹریل کے کور میں آپٹیکل خصوصیات تبدیل نہیں ہوں گی، لیکن بہت پتلی فلموں کے لیے، جہاں تقریبا تمام ذرات سطح پر پائے جا سکتے ہیں، آپٹیکل خصوصیات تبدیل ہو سکتی ہیں: برقی میدان کی طاقت کے لحاظ سے مخصوص طول موج کا جذب یا ترسیل۔ سیمی کنڈکٹر میں متعدد مرکبات ہونے کی صورت میں اس کے نتیجے میں زیادہ درست پیمائش ہو سکتی ہے، جو عملی طور پر ڈیٹا کے پس منظر کے شور کو منسوخ کر دیتا ہے۔ عام طور پر، بینڈ کے وقفے سب سے چھوٹے ہوتے ہیں، قریب، یا برلوئن زون کی حد پر۔ برقی میدان کو شامل کرنے سے اس مواد کے پورے بینڈ کے ڈھانچے میں تبدیلی آئے گی جہاں برقی میدان داخل ہوتا ہے، لیکن اثر خاص طور پر برلوئن زون کی حد پر نمایاں ہوگا۔ جب سب سے چھوٹا بینڈ گیپ سائز میں تبدیل ہوتا ہے، تو یہ پہلے سے ہی بڑے بینڈ گیپ میں تبدیلی سے زیادہ مواد کی نظری عکاسی کو تبدیل کرتا ہے۔ اس کی وضاحت یہ دیکھ کر کی جا سکتی ہے کہ سب سے چھوٹا بینڈ گیپ بہت زیادہ عکاسی کا تعین کرتا ہے، کیونکہ کم توانائی والے فوٹون جذب اور دوبارہ خارج نہیں ہو سکتے۔ ڈائی الیکٹرک مستقل سیمی کنڈکٹر کی نظری خصوصیات کا براہ راست تعلق مواد کے ڈائی الیکٹرک مستقل سے ہوتا ہے۔ یہ ڈائی الیکٹرک مستقل خلا کی پارگمیتا کے سلسلے میں کسی مواد کی برقی پارگمیتا کے درمیان تناسب دیتا ہے۔ کسی مادے کا خیالی ریفریکٹیو انڈیکس ڈائی الیکٹرک مستقل کے مربع جڑ سے دیا جاتا ہے۔ کسی مادے کی عکاسی کا حساب فریسنل مساوات کا استعمال کرتے ہوئے لگایا جا سکتا ہے۔ ایک موجودہ برقی میدان ڈائی الیکٹرک مستقل کو بدل دیتا ہے اور اس وجہ سے مادے کی نظری خصوصیات کو بدل دیتا ہے، جیسے کہ عکاسی۔ مائع کے ساتھ انٹرفیس (برقی ڈبل پرت) مائع کے ساتھ رابطے میں ایک ٹھوس، برقی میدان کی موجودگی میں، برقی ڈبل پرت بناتا ہے۔ یہ پرت ٹھوس اور مائع کے انٹرفیس پر موجود ہوتی ہے اور یہ ٹھوس کی چارج شدہ سطح کی حفاظت کرتی ہے۔ یہ برقی ڈبل پرت ٹھوس کی نظری عکاسی پر اثر انداز ہوتی ہے کیونکہ یہ لچکدار روشنی کے بکھرنے کی خصوصیات کو تبدیل کرتی ہے۔ برقی ڈبل پرت کی تشکیل میں مختلف اوقات شامل ہوتے ہیں، جیسے آرام کا وقت اور چارج کرنے کا وقت۔ آرام کا وقت جسے ہم پھیلاؤ مستقل اور ڈیبی لمبائی کے طور پر لکھ سکتے ہیں۔ چارج کرنے کے وقت کا اظہار نمائندہ نظام کا سائز کہاں ہے اس سے کیا جا سکتا ہے۔ ڈیبی لمبائی اکثر برقی ڈبل پرت کی موٹائی کی پیمائش کے طور پر استعمال ہوتی ہے۔ برقی عکاسی کے ساتھ برقی ڈبل پرت کی پیمائش کنڈکشن الیکٹرانوں کی وجہ سے علیحدگی کی وجہ سے مشکل ہے۔ برقی عکاسی کے اثر کے بارے میں سب سے پہلے 1965 کے ایک جائزہ خط میں مائیکلسن لیبارٹری، چائنا لیک، کیلیفورنیا سے بی او سیرافن اور آر بی ہیس نے لکھا تھا جہاں وہ جرمنیم میں بنیادی کنارے سے اوپر فرانز-کیلڈیش اثر کا مطالعہ کر رہے تھے۔ انہوں نے پایا کہ مواد کے لیے نہ صرف الیکٹرانوں کو جذب کرنا ممکن تھا، بلکہ انہیں دوبارہ خارج کرنا بھی ممکن تھا۔ اس دریافت کے بعد سیرافن نے نئے پائے جانے والے رجحان پر متعدد مضامین لکھے ہیں۔ سطحی طبیعیات میں برقی عکاسی کی تحقیقی تکنیکیں سطح طبیعیات کے مطالعے میں برقی عکاسی کا استعمال اس کی دریافت سے پہلے استعمال ہونے والی تکنیکوں کے مقابلے میں کچھ بڑے فوائد فراہم کرتا ہے۔ اس سے پہلے، سطح کی صلاحیت کا تعین کرنا مشکل تھا کیونکہ آپ کو سطح پر برقی پیمائش کی ضرورت ہوتی ہے اور نیچے کے بلک کو شامل کیے بغیر سطح کے علاقے کی تحقیقات کرنا مشکل تھا۔ برقی عکاسی کو سطح پر برقی پیمائش کرنے کی ضرورت نہیں ہے، بلکہ صرف نظری پیمائش کا استعمال کرتا ہے۔ مزید برآں، سطح کی صلاحیت اور عکاسی کے درمیان براہ راست فعال تعلقات کی وجہ سے ہم پرانے طریقوں میں درکار اضافی کیریئرز کی نقل و حرکت، بکھرنے، یا پھانسی کے بارے میں بہت سے مفروضوں سے چھٹکارا حاصل کر سکتے ہیں۔ سطح کے برقی میدان کی جانچ سطح کے ذریعے جھلکنے والے بیم کے ماڈیولیشن کے ذریعے کی جاتی ہے۔ آنے والی بیم مواد میں گہرائی میں داخل نہیں ہوتی ہے، لہذا آپ صرف نیچے کے بلک کے ساتھ تعامل کیے بغیر سطح کی جانچ کرتے ہیں۔ ایسپینز تھرڈ ڈیرویٹو تھرڈ آرڈر سپیکٹروسکوپی، جسے بعض اوقات ایسپینز تھرڈ ڈیرویٹو کہا جاتا ہے، ایک ایسی تکنیک ہے جو سپیکٹروسکوپی کی پیمائش کے حل کو بڑھانے کے لیے استعمال ہوتی ہے۔ یہ تکنیک سب سے پہلے ڈی ای نے استعمال کی تھی۔ ایسپینز 1971 میں برقی عکاسی کا مطالعہ کرنے کے لیے۔ تھرڈ آرڈر مشتقات کا استعمال فنکشن کی چوٹی کو تیز کر سکتا ہے (شکل دیکھیں)۔ خاص طور پر سپیکٹروسکوپی میں، جہاں لہر کو کبھی بھی ایک مخصوص طول موج پر نہیں ماپا جاتا ہے، لیکن ہمیشہ ایک بینڈ پر، اس کا استعمال چوٹی کو تیز کرنے کے لیے کیا جاتا ہے، اور اس طرح بینڈ کو تنگ کیا جاتا ہے۔ مشتقات کا ایک اور فائدہ یہ ہے کہ بیس لائن شفٹوں کو ختم کر دیا جاتا ہے کیونکہ مشتقات شفٹوں سے چھٹکارا حاصل کرتے ہیں۔ سپیکٹرم میں یہ تبدیلیاں مثال کے طور پر نمونے کی ہینڈلنگ، لیمپ یا ڈٹیکٹر کی عدم استحکام کی وجہ سے ہو سکتی ہیں۔ اس طرح، آپ پیمائش کے کچھ پس منظر کے شور کو ختم کر سکتے ہیں۔ الیکٹرو ریفلیکٹنس اکثر کمزور سیمی کنڈکٹنگ مواد کی پتلی فلموں کے بینڈ گیپس اور برقی خصوصیات کا تعین کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ دو مختلف مثالیں ذیل میں درج ہیں۔ کمرے کے درجہ حرارت پر ہائی بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز کی تحقیق کو بڑھانا وسیع بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹر جیسے ٹن آکسائڈ ایس این او 2 عام طور پر اعلی کیمیائی استحکام اور نقل و حرکت رکھتے ہیں، بنانے کے لیے سستے ہوتے ہیں اور بینڈ کی مناسب صف بندی رکھتے ہیں، جس سے یہ سیمی کنڈکٹر اکثر مختلف الیکٹرانکس میں پتلی فلم ٹرانجسٹرز، لتیم آئن بیٹریوں میں انوڈز اور شمسی خلیوں میں الیکٹران ٹرانسپورٹ پرت کے طور پر استعمال ہوتے ہیں۔ SNO2 () کا بڑا بینڈ گیپ اور بڑی بائنڈنگ انرجی () اسے بالائے بنفشی پر مبنی آلات میں مفید بناتی ہے۔ لیکن بلک شکل میں اس کے ڈائپول ممنوع بینڈ ڈھانچے کے ساتھ ایک بنیادی مسئلہ پیدا ہوتا ہے: ویلینس سے کنڈکشن بینڈ میں منتقلی ڈائپول ممنوع ہے کیونکہ دونوں قسم کی ریاستیں اس اثر کے ساتھ یکساں برابری کے ساتھ موجود ہیں کہ SNO2 کا بینڈ ایج اخراج فطرت میں ممنوع ہے۔ اس کی تلافی اس کے کم جہتی ڈھانچے کو استعمال کرتے ہوئے کی جا سکتی ہے، جزوی طور پر کرسٹل سمیٹری کو تباہ کر کے، ممنوعہ دو قطبی منتقلی کو اجازت شدہ میں تبدیل کر کے۔ تاہم، کم شدہ ایس این او 2 ڈھانچوں کے یو وی خطے میں روشنی جذب کرنے کی کارکردگی بہت کمزور ہونے اور کم توانائیوں والے الیکٹرانوں کے پس منظر کے بکھرنے کی وجہ سے کمرے کے درجہ حرارت پر ایس این او 2 میں نظری منتقلی کا مشاہدہ کرنا مشکل ہے۔ الیکٹرو ریفلیکٹنس کا استعمال کرتے ہوئے پتلی فلموں کی نظری منتقلی کو بازیافت کیا جا سکتا ہے: ایک پتلی فلم کو برقی میدان میں رکھنے سے، نظری منتقلی کے اہم نکات کو بڑھایا جائے گا جبکہ، عکاسی میں تبدیلی کی وجہ سے، کم توانائی والے پس منظر کے بکھرنے کو کم کیا جاتا ہے۔ نامیاتی سیمی کنڈکٹرز میں برقی عکاسی نامیاتی مرکبات جن میں کنجوگیٹ (یعنی متبادل سنگل ڈبل) بانڈز ہوتے ہیں ان میں سیمی کنڈکٹنگ خصوصیات ہو سکتی ہیں۔ تاہم ان نامیاتی مرکبات کی چالکتا اور نقل و حرکت غیر نامیاتی سیمی کنڈکٹرز کے مقابلے میں بہت کم ہے۔ یہ فرض کرتے ہوئے کہ نامیاتی سیمی کنڈکٹر کے مالیکیول جالی ہیں، غیر نامیاتی سیمی کنڈکٹر کے الیکٹرو ریفلیکٹنس کا وہی طریقہ کار نامیاتی کے لیے بھی لاگو کیا جا سکتا ہے۔ اگرچہ یہ نوٹ کیا جانا چاہیے کہ سیمی کنڈکٹرز میں ایک خاص دوہری ہے: انٹرا مالیکیولر کنڈکشن (ایک مالیکیول کے اندر) اور انٹر مالیکیولر کنڈکشن (مالیکیولز کے درمیان)، جسے پیمائش کرتے ہوئے مدنظر رکھنا چاہیے۔ خاص طور پر پتلی فلموں کے لیے اس طریقہ کار کا استعمال کرتے ہوئے نامیاتی سیمی کنڈکٹرز کے بینڈ گیپس کا درست تعین کیا جا سکتا ہے۔ فوٹو عکاسی فیلڈ اثر (سیمی کنڈکٹر) بینڈ ڈھانچہ برلوئن زون الیکٹرک ڈبل پرت حوالہ جات سپیکٹروسکوپی سیمی کنڈکٹر کی خصوصیات الیکٹروسٹیٹکس بھی دیکھیں۔