F-center
ایف سینٹر یا فاربی سینٹر (اصل جرمن فاربزینٹرم سے، جہاں فاربی کا مطلب رنگ اور زینٹرم کا مطلب مرکز ہے) ایک قسم کا کرسٹلگرافک عیب ہے جس میں کرسٹل لیٹس میں آئنک خالی جگہ پر ایک یا زیادہ غیر جوڑے والے الیکٹرانوں کا قبضہ ہوتا ہے۔ کرسٹل لیٹس میں ایسی خالی جگہ میں الیکٹران مرئی سپیکٹرم میں روشنی کو اس طرح جذب کرتے ہیں کہ عام طور پر شفاف مواد رنگین ہو جاتا ہے۔ ایف مراکز کی تعداد جتنی زیادہ ہوگی، مرکب کا رنگ اتنا ہی زیادہ شدید ہوگا۔ ایف مراکز رنگ کے مرکز کی ایک قسم ہیں۔ یہ بہت سے مرکبات، خاص طور پر زنک آکسائڈ (پیلا) کی شناخت کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ نقطہ نقائص کی دریافت سے پہلے ہی یہ معلوم تھا کہ کچھ کرسٹل کو مختلف طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے بے رنگ کیا جا سکتا ہے۔ 1830 میں ٹی جے پیئرسل نے دریافت کیا کہ فلورسپار کو بنفشی روشنی کا استعمال کرتے ہوئے بے رنگ کیا جا سکتا ہے۔ تیس سال بعد ایک مخصوص دھات کے ساتھ کرسٹل کو پگھلا کر اسی طرح کے نتائج حاصل کیے گئے۔ 1921 میں ڈبلیو رونٹگن نے بڑے پیمانے پر چٹان کے نمک کی پیمائش کی۔ ان ٹیسٹوں کے ایک سیٹ نے ایکس رے کے ساتھ نمک کے تابکاری کے بعد فوٹو الیکٹرک چالکتا کی پیمائش 40,000 گنا زیادہ کی۔ ایکس رے سے ملتا جلتا نتیجہ دھات کے بخارات سے کرسٹل کو رنگ کر کے حاصل کیا گیا۔ فوٹو الیکٹرک اثر بنیادی طور پر مخصوص طول موج کے ارد گرد ہوا، جو بعد میں غیر کولائڈیل نوعیت کا پایا گیا۔ ان رنگتیوں کو بعد میں ایف سینٹرز کا نام دیا گیا، جیسا کہ جرمن لفظ فاربے میں رنگ کے لیے ہے۔ 1933 میں مولو نے یہ نتیجہ اخذ کیا کہ یہ ایف مراکز جوہری کرسٹل نقائص ہیں۔ اس وقت کے آس پاس لوگوں نے یہ دعوی کرنا شروع کر دیا کہ یہ نقائص غیر جوڑے والے الیکٹران تھے۔ خالی جگہ کا ماڈل پہلی بار 1937 میں بیان کیا گیا تھا لیکن پھر بھی اسے عارضی سمجھا جاتا تھا۔ الیکٹران اسپن گونج کا استعمال کرتے ہوئے یہ ثابت کرنے میں 1957 تک کا وقت لگا کہ یہ درست ہے۔ F مراکز قدرتی طور پر مرکبات (خاص طور پر دھاتی آکسائڈ) میں واقع ہو سکتے ہیں کیونکہ جب زیادہ درجہ حرارت پر گرم کیا جاتا ہے تو آئن پرجوش ہو جاتے ہیں اور اپنی معمول کی کرسٹلگرافک پوزیشنوں سے بے گھر ہو جاتے ہیں، جس سے خالی جگہوں میں کچھ الیکٹران پیچھے رہ جاتے ہیں۔ یہ اثر دھاتی اضافی نقائص پر مشتمل آئنک مرکبات کے ذریعے بھی ظاہر ہوتا ہے۔ اکثر ایف مراکز پیرا مقناطیسی ہوتے ہیں اور الیکٹران پیرا مقناطیسی گونج تکنیک کے ذریعے ان کا مطالعہ کیا جا سکتا ہے۔ جن ایف مراکز کا سب سے زیادہ مطالعہ کیا جاتا ہے وہ وہ ہیں جو الکلی دھاتی ہالائڈز میں پائے جاتے ہیں۔ الکلی دھاتی ہالائڈز عام طور پر شفاف ہوتے ہیں۔ وہ دور بالائے بنفشی سے دور اورکت میں جذب نہیں دکھاتے ہیں۔ اس طرح نظری جذب میں کسی بھی تبدیلی کا آسانی سے پتہ لگایا جا سکتا ہے اور اس کا مطالعہ کیا جا سکتا ہے۔ سوڈیم کلورائد میں F مراکز کا جذب بینڈ نیلی روشنی کے ارد گرد واقع ہوتا ہے، جس سے کافی F مرکز نقائص والے سوڈیم کلورائد کرسٹل کو پیلا رنگ ملتا ہے۔ دیگر الکلی کلورائڈز میں ایف سینٹر جذب بینڈ کا مقام بنفشی سے پیلے رنگ کی روشنی تک ہوتا ہے۔ ایف مراکز کی تشکیل ہی وجہ ہے کہ کچھ کرسٹل جیسے لتیم کلورائڈ، پوٹاشیم کلورائڈ، اور زنک آکسائڈ گرم ہونے پر بالترتیب گلابی، پیلا اور پیلا ہو جاتے ہیں۔ اگرچہ دیگر مادوں میں ایف مراکز کا مشاہدہ کیا گیا ہے، لیکن وہ عام طور پر ان مادوں میں رنگت کی وجہ نہیں ہوتے ہیں۔ قدرتی طور پر پائے جانے والے ایف مراکز کی کچھ مثالیں ہیں جو رنگت کا سبب بنتی ہیں۔ ایک ممکنہ امیدوار معدنی بلیو جان ہے۔ یہ فلورائٹ کی ایک شکل ہے، CaF2۔ اگرچہ اس کی تصدیق نہیں ہوئی ہے، لیکن خیال کیا جاتا ہے کہ یہ رنگ الیکٹران ایف مراکز کی وجہ سے ہوتا ہے۔ یہ خیال کیا جاتا ہے کہ یہ ایف مرکز چٹان میں قریبی یورینیم کے ذخائر کی وجہ سے تشکیل پایا ہے۔ تابکار انحطاط تابکاری ایف مرکز بنانے کے لیے ضروری توانائی کا سبب بنی۔ فطرت میں پائے جانے والے ایف مرکز کی ایک اور مثال ایک نسبتا طویل عرصے تک رہنے والا ایف مرکز ہے جو نیلم میں روشنی کے ذریعے پایا جاتا ہے، جس کی مدت ایک مطالعہ میں تقریبا 36 ایم ایس تھی۔ ایف مراکز کی اقسام الیکٹران مراکز کی مختلف اقسام ہیں، جو مادے اور تابکاری توانائی پر منحصر ہیں۔ ایف مرکز عام طور پر جالی میں ایک ایسی پوزیشن ہوتی ہے جہاں ایک آئن، ایک منفی چارج شدہ آئن، کو الیکٹران سے تبدیل کیا جاتا ہے۔ ایک ایچ سینٹر (ایک ہیلوجن انٹرسٹیشیل) ایک لحاظ سے ایف سینٹر کے برعکس ہوتا ہے، تاکہ جب دونوں ایک کرسٹل میں رابطے میں آئیں تو وہ دونوں نقائص کو یکجا کر کے ختم کر دیں۔ اس عمل کی تصویر کشی کی جا سکتی ہے، مثال کے طور پر لیزر کا استعمال کرتے ہوئے۔ سنگل خالی جگہ F مرکز بعض اوقات F مرکز ایک اضافی الیکٹران حاصل کر سکتا ہے، جس سے F مرکز منفی طور پر چارج ہو جاتا ہے، جیسے کہ اسے F− مرکز کہا جاتا ہے۔ اسی طرح، جب F مرکز کسی الیکٹران سے چھوٹ جاتا ہے، جب اسے آئنائز کیا جاتا ہے، تو یہ ایک F + مرکز ہوگا۔ - 2e چارج شدہ آئن کا ہونا بھی ممکن ہے، جس میں F مرکز بنانے کے لیے 2 الیکٹرانوں کی ضرورت ہوتی ہے۔ کنونشن کے مطابق کسی الیکٹران کو جوڑنا یا لے جانا اسے بالترتیب F− یا F + مرکز بنا دے گا۔ ایک اور قسم کی واحد خالی جگہ ایف سینٹر ایف اے سینٹر ہے جو ایک ایف سینٹر پر مشتمل ہوتا ہے جس میں ایک پڑوسی مثبت آئن ہوتا ہے جس کی جگہ ایک مختلف قسم کے مثبت آئن ہوتے ہیں۔ ان ایف اے مراکز کو متبادل آئن کی قسم کے لحاظ سے دو گروپوں، ایف اے (I) اور ایف اے (II) میں تقسیم کیا گیا ہے۔ ایف اے (I) مراکز میں باقاعدہ ایف مراکز کی طرح ہی خصوصیات ہوتی ہیں، جبکہ ایف اے (II) مراکز ایک ہالیڈ آئن کی تبدیلی کی وجہ سے پرجوش حالت میں دو ممکنہ کنوؤں کی تشکیل کا سبب بنتے ہیں۔ ایف اے کی طرح ایف بی سینٹر بھی ہے، جو ایک ایف سینٹر پر مشتمل ہوتا ہے جس میں دو پڑوسی مثبت آئن ہوتے ہیں جن کی جگہ ایک مختلف قسم کے مثبت آئن ہوتے ہیں۔ ایف بی مراکز کو بھی دو گروپوں، ایف بی (I) اور ایف بی (II) میں تقسیم کیا گیا ہے، جن کا طرز عمل ایف اے (I) اور ایف اے (II) مراکز سے ملتا جلتا ہے۔ ناپاک آئنوں کی تقسیم کی شماریاتی نوعیت کی وجہ سے، ایف بی مراکز ایف اے مراکز کے مقابلے میں بہت کم ہوتے ہیں۔ پڑوسی اینین خالی آسامیوں کی وجہ سے پڑوسی ایف مراکز کے کمپلیکس ایف سینٹر کے امتزاج کو بالترتیب دو اور تین پڑوسیوں، ایف 2 اور ایف 3 مراکز کے لیے بلایا جائے گا۔ ایف مراکز کے بڑے مجموعے یقینی طور پر ممکن ہیں، لیکن اس کے رویے کی تفصیلات ابھی تک معلوم نہیں ہیں۔ ایک F2 مرکز کو آئنائز بھی کیا جا سکتا ہے، اور ایک F2 + مرکز تشکیل دے سکتا ہے۔ جب یہ قسم کیشن کی نجاست کے ساتھ پائی جاتی ہے، تو یہ ایک (F2 +) A مرکز ہوتا ہے۔ Fs مراکز F مراکز کرسٹل میں کہیں بھی ظاہر ہو سکتے ہیں لیکن اگر آکسائڈ کرسٹل کی سطح پر تشکیل پاتے ہیں تو ان کی خصوصیات کافی حد تک مختلف ہوتی ہیں۔ Fs مراکز میں پابند الیکٹرانوں میں بلک F مراکز کے مقابلے میں منتقلی کی توانائیاں کم ہوتی ہیں۔ الکلی ہالائڈ کرسٹل میں سطح F کے مراکز قدرے پریشان بلک سینٹر کے طور پر برتاؤ کرتے ہیں، جس میں نیچے-0.1eV کی شفٹ ہوتی ہے۔ وہ باقاعدہ جالی والے مقامات کے مقابلے میں بھی سطح سے نکلتے ہیں۔ باقاعدہ جالی والی جگہوں پر الیکٹرانوں کے مقابلے میں ایف مراکز کم پابند ہونے کی وجہ سے، وہ جذب کے لیے ایک اتپریرک کے طور پر کام کرتے ہیں۔ تاہم اس کا مطلب یہ ہے کہ یہ نقائص آکسیجن کو جذب کرکے کھلی ہوا میں تیزی سے خراب ہو جاتے ہیں، لیکن ماحول سے آکسیجن کو ہٹا کر پلٹ سکتے ہیں۔ Fs مرکز کا ESR سپیکٹرم آکسائڈز میں ہائپر فائن ڈھانچے میں درجہ حرارت پر منحصر ہے۔ یہ مثبت آئن کے نیوکلئس میں غیر جوڑے الیکٹران لہر فنکشن کے بڑھتے ہوئے اوورلیپ سے پیدا ہونا چاہیے۔ ایف ایس سینٹر کو گرم کرکے تبدیل یا تباہ کیا جا سکتا ہے۔ الکلی ہالائڈ کرسٹل میں موجود نقائص کو کم درجہ حرارت پر تباہ کر دیا جاتا ہے۔ کرسٹل 200 K پر آہستہ آہستہ بے رنگ ہونا شروع ہو جاتے ہیں۔ آکسائڈ کے لیے ان نقائص کو تباہ کرنے کے لیے درجہ حرارت کافی زیادہ ہوتا ہے، CaO کے لیے 570 K۔ آکسائڈز میں اینیلنگ کے ذریعے پیچیدہ ایف ایس مراکز بنانا ممکن ہے۔ لیبارٹری میں ایف مراکز بنانا تابکاری پیدا ہونے والے پہلے ایف مراکز الکلی ہالائڈ کرسٹل میں تھے۔ یہ ہالائڈز اعلی توانائی کی تابکاری، جیسے ایکس رے، گاما تابکاری یا ٹیسلا کنڈلی کے سامنے تھے۔ تابکاری کے ذریعے توانائی جذب کرنے کے تین طریقہ کار ہیں: a) ایکسائٹن کی تشکیل۔ یہ ایک ہالیڈ آئن میں ویلینس الیکٹران کی حوصلہ افزائی کے مترادف ہے۔ حاصل شدہ توانائی (عام طور پر 7 یا 8 ای وی) جزوی طور پر ایک روشن فوٹون کے اخراج کے ذریعے دوبارہ ضائع ہو جائے گی۔ باقی توانایٔی آئنوں کو ہٹانے کے لیے دستیاب ہوتی ہے۔ یہ توانایٔی جالی کے ذریعے حرارت کے طور پر خارج ہوتی ہے۔ تاہم، یہ پتہ چلتا ہے کہ اس کی توانائی آئنوں کو منتقل کرنے کے لیے بہت کم ہے اور اس وجہ سے F مراکز پیدا کرنے کے قابل نہیں ہے۔ ب) سنگل آئنائزیشن۔ یہ ایک الیکٹران کو ہالیڈ آئن سے الگ کرنے سے مطابقت رکھتا ہے۔ درکار توانائی ایکسائٹن کی تشکیل سے تقریبا 2 eV زیادہ ہے۔ کوئی تصور کر سکتا ہے کہ وہ ہالائڈ آئن جس نے ایک الیکٹران کھو دیا تھا، اب اس کی جالی کی جگہ پر مناسب طریقے سے بندھا ہوا نہیں ہے۔ یہ ممکن ہے کہ یہ جالی سے گزر جائے۔ پیدا شدہ خالی جگہ اب الیکٹران کو ٹریپ کر سکتی ہے، جس سے ایف سینٹر بن سکتا ہے۔ اگر ہالیڈ آئن پہلے الیکٹران کو دوبارہ حاصل کرتا ہے، تو یہ ایکسائٹن کی تشکیل (2 eV زیادہ) کے مقابلے میں زیادہ تھرمل توانائی جاری کر سکتا ہے اور یہ دوسرے آئنوں کو بھی حرکت دینے کا سبب بن سکتا ہے۔ ج) ملٹی پل آئنائزیشن۔ اس عمل میں سب سے زیادہ توانائی کی ضرورت ہوتی ہے۔ ایک فوٹون ایک ہالائڈ آئن کے ساتھ تعامل کرتا ہے، اسے دو بار آئنائز کرتا ہے، اور اسے مثبت طور پر چارج کرتا ہے۔ بقیہ آئن بہت غیر مستحکم ہے اور تیزی سے دوسری پوزیشن پر چلا جائے گا، جس سے ایک خالی جگہ رہ جائے گی جو ایک الیکٹران کو F مرکز بننے کے لیے پھنس سکتی ہے۔ دو الیکٹرانوں کو آزاد کرنے کے لیے تقریبا 18 eV کی ضرورت ہوتی ہے (KCl یا NaCl کے معاملے میں)۔ تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ دس واحد آئنائزیشن میں تقریبا ایک ڈبل آئنائزیشن ہوتی ہے۔ تاہم، پیدا شدہ مثبت ہالائڈ آئن آسانی سے اور تیزی سے ایک الیکٹران کو اپنائے گا جس کی وجہ سے وہ F مرکز بنانے سے قاصر ہے۔ ایف مرکز کی تخلیق کا سب سے زیادہ ممکنہ طریقہ کار ابھی طے نہیں ہوا ہے۔ دونوں ممکن اور ممکنہ ہیں، لیکن کون سا ایک بار سب سے زیادہ ہوتا ہے یہ معلوم نہیں ہے۔ ایف 2 مرکز کی تشکیل بہت ملتی جلتی ہے۔ ایک F مرکز آئنائزڈ ہوتا ہے اور ایک خالی جگہ بن جاتا ہے ؛ الیکٹران مواد کے ذریعے دوسرے F مرکز سے جڑا ہوا ہوتا ہے، جو ایک F− مرکز بن جاتا ہے۔ الیکٹران کی خالی جگہ مواد کے ذریعے منتقل ہوتی ہے اور F-مرکز کے ساتھ ختم ہوتی ہے، جو اپنے الیکٹران کو خالی جگہ پر واپس بھیجتا ہے، جس سے دو پڑوسی F مراکز بنتے ہیں، یعنی۔ ایک F2 مرکز۔ اضافی رنگ کاری رنگ کے مراکز بنانے کا ایک مختلف طریقہ اضافی رنگ کاری ہے۔ ایف مراکز والا کرسٹل کیمیائی طور پر الکالی دھات کے ایک کامل کرسٹل اور اسٹوچیومیٹرک اضافے کے برابر ہوتا ہے۔ یہ متعلقہ دھات کے بخارات میں کرسٹل کو اعلی درجہ حرارت پر گرم کرکے کیا جاتا ہے۔ درجہ حرارت اس کے پگھلنے کے مقام اور اس درجہ حرارت سے محدود ہوتا ہے جس پر کولائڈز بنتے ہیں، مثال کے طور پر۔ کے سی ایل کے لیے ~ 400 اور 768 ڈگری سیلسیس کے درمیان۔ دھات کے ایٹم کرسٹل کی سطح پر پکڑے جاتے ہیں، جہاں وہ آئنائز ہوتے ہیں، اور ویلینس الیکٹران کو کرسٹل لیٹس میں منتقل کیا جاتا ہے۔ چونکہ یہ عمل اعلی درجہ حرارت پر ہوتا ہے، اس لیے آئنوں کی نقل و حرکت بھی زیادہ ہوتی ہے۔ ایک منفی آئن نئے بنے ہوئے آئن کی طرف بڑھے گا۔ یہ ایک آئنک خالی جگہ کو پیچھے چھوڑ دیتا ہے جو الیکٹران کو ایف مرکز بنانے کے لیے پھنس سکتا ہے۔ اس کے بعد کرسٹل کو بجھا دیا جاتا ہے تاکہ ایف مراکز کو کرسٹل کے ذریعے کولائڈز بنانے سے روکا جا سکے۔ اس عمل کی ایک مثال دھاتی سوڈیم ماحول میں NaCl کو گرم کرنا ہے۔ Na0 → Na + + e − Na + کو الیکٹران چھوڑنے کے بعد NaCl کرسٹل میں شامل کیا جاتا ہے۔ اضافی Na + کو متوازن کرنے کے لیے ایک Cl-خالی جگہ پیدا کی جاتی ہے۔ سی ایل-خالی جگہ کا موثر مثبت چارج Na ایٹم کے ذریعے خارج ہونے والے الیکٹران کو پکڑ لیتا ہے۔ آکسائڈز میں کسی کرسٹل کو کیشن سے مختلف دھات سے اضافی طور پر رنگنا ممکن ہے۔ نتیجے میں جذب سپیکٹرم کافی حد تک وہی ہے جیسے جزو دھات کا استعمال کیا گیا تھا۔ کم درجہ حرارت کے بخارات کا جمع ہونا-200 ڈگری سینٹی گریڈ سے نیچے کے درجہ حرارت پر بخارات کے ذخائر کا استعمال کرتے ہوئے الکلی ہالائڈ کرسٹل پر مستحکم ایف ایس مراکز بنانا ممکن ہے۔ رنگین مراکز پر مبنی لیزرز کو ڈائی لیزرز کی طرح چلایا جاتا ہے۔ وہ 0.8 سے 4.0 مائیکرو میٹر تک طول موج کی حد فراہم کرتے ہیں، جو روشنی کا قریب اورکت خطہ ہے، اس طرح جہاں ڈائی لیزر کام کرنے میں ناکام ہوتے ہیں وہاں سے اٹھتے ہیں۔ سپیکٹرم کے قریب اورکت علاقے میں کام کرنے والے لیزرز کو اورکت سپیکٹروسکوپی میں روشنی کے ذریعہ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، مثال کے طور پر سالماتی کمپن کا مطالعہ کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ صرف مخصوص ایف مراکز رنگین مرکز لیزرز میں استعمال کے لیے موزوں ہیں، جنہیں لیزر فعال ایف مراکز کہا جاتا ہے۔ سادہ ایف مراکز لیزر فعال نہیں ہوتے ہیں، لیکن زیادہ پیچیدہ ایف مراکز کو مستحکم رنگین مرکز لیزر بنانے کے لیے دکھایا گیا ہے۔ یہ یعنی ایف اے (II)، ایف بی (II)، ایف 2 + اور (ایف 2 +) اے مراکز ہیں۔ اس سے بھی زیادہ پیچیدہ ایف مراکز ممکنہ طور پر لیزر فعال ہوتے ہیں، لیکن وہ کلر سینٹر لیزرز فزکس میں اہم کردار ادا نہیں کرتے ہیں۔ رنگین مرکز لیزرز میں استعمال ہونے والے ایف اے مراکز والے مواد کی مثالیں پوٹاشیم کلورائڈ (کے سی ایل) یا روبیڈیم کلورائڈ (آر بی سی ایل) کے کرسٹل ہیں جو لتیم کلورائڈ (ایل آئی سی ایل) کے ساتھ ڈوپ کیے گئے ہیں، جن میں ایف ایل آئی سینٹرز ہوتے ہیں۔ یہ کرسٹل 2.45 اور 3.45 مائیکرو میٹر کے درمیان طول موج کی اخراج لائنوں والے رنگین مرکز لیزرز کے لیے اچھے مواد پائے گئے ہیں۔ ایف مراکز میں عام طور پر مرئی رینج میں ایک جذب بینڈ ہوتا ہے، اور اخراج اسٹوکس کو طویل طول موج میں منتقل کر دیا جاتا ہے۔ چوٹیوں میں فرق اکثر 2 کے عنصر سے بڑا ہوتا ہے اور اس کے نتیجے میں ہونے والے اخراج اورکت کے قریب ہوتے ہیں۔ تاہم کم درجہ حرارت پر شفٹ چھوٹی ہو جاتی ہے، حالانکہ کچھ کرسٹل ایسے ہوتے ہیں جو دکھائی دینے والی روشنی خارج کرنے کے قابل ہوتے ہیں۔ ایسی ہی ایک مثال پاؤڈرڈ ایم جی او ہے، جسے اضافی رنگ کے ساتھ علاج کیا جاتا ہے، جو خلا میں بنفشی روشنی کو جذب کرکے بنفشی نیلی روشنی کا اخراج کرتا ہے۔ الیکٹرائڈ بھی دیکھیں، ایک کرسٹل جہاں تمام آئن الیکٹران ہوتے ہیں۔ خالی جگہوں کا عیب شٹکی عیب فرینکل عیب نائٹروجن-خالی جگہوں کا مرکز حوالہ جات فوٹوونکس ڈکشنری ڈبلیو۔ ہیس، اے ایم اسٹونھم "غیر دھاتی ٹھوسوں میں عیب اور عیب کے عمل" ولی 1985 کے ایس جیتا اور دیگر۔ آئی یو اے سی دہلی، انڈین جرنل آف پیور اینڈ اپلائیڈ فزکس 2008 کرسٹلگرافک نقائص