Nano-ARPES
نینو اینگل ریزولیوڈ فوٹو ایمیشن سپیکٹروسکوپی (نینو-اے آر پی ای ایس)، تجرباتی تکنیک اے آر پی ای ایس (اینگل ریزولیوڈ فوٹو ایمیشن سپیکٹروسکوپی) کی ایک قسم ہے۔ اس میں سب مائیکرون لیٹرل ریزولوشن کے ساتھ مومنٹم اسپیس میں مواد کے الیکٹرانک بینڈ ڈھانچے کا درست تعین کرنے کی صلاحیت ہے۔ اس کے مطالبے والے تجرباتی سیٹ اپ کی وجہ سے، یہ تکنیک اے آر پی ای ایس کے مقابلے میں بہت کم توسیع شدہ ہے، جو کرسٹل مواد کی ایک وسیع رینج کی الیکٹرانک خصوصیات کا تجرباتی طور پر تعین کرنے کے لیے گاڑھا مادے کی طبیعیات میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتی ہے۔ نینو-آرپس اعلی توانائی، مومنٹم اور لیٹرل ریزولوشن کے ساتھ اچھی طرح سے ترتیب شدہ مونو کرسٹل لائن ٹھوسوں کے الیکٹرانک ڈھانچے تک رسائی حاصل کر سکتے ہیں، چاہے وہ نینومیٹرک یا ہیٹروجینیئس میسوسکوپک نمونے ہوں۔ نینو-اے آر پی ای ایس تکنیک بھی آئن سٹائن کے فوٹو الیکٹرک اثر پر مبنی ہے، جو کہ فوٹون-ان الیکٹران-آؤٹ سپیکٹروسکوپی ہے، جس نے نینو میٹریلز جیسے کوانٹم اور کم جہتی مواد کے الیکٹرانک ڈھانچے کا مطالعہ کرنے میں ایک لازمی ٹول میں تبدیل کر دیا ہے۔ نینو اے آر پی ای ایس تجرباتی طور پر بینڈ کی زیر قبضہ الیکٹرانک حالتوں کے الیکٹرانوں کی بائنڈنگ توانائیوں اور لہر مومینٹا کے درمیان تعلق کا تعین کرنے کی اجازت دیتا ہے جن کی توانائیاں قریب ہوتی ہیں اور تقریبا 10-15 eV فرمی سطح سے نیچے ہوتی ہیں۔ یہ الیکٹران کسی ٹھوس سے اس وقت خارج ہوتے ہیں جب وہ مادے کی سطح سے فوٹو الیکٹرانوں کو خارج کرنے کے لیے کافی توانائی کے ساتھ یک رنگ فوٹوون کے ذریعے روشن ہوتے ہیں۔ ان فوٹو الیکٹرانوں کا پتہ ایک الیکٹران تجزیہ کار کے ذریعے لگایا جاتا ہے جو نمونوں کی سطح کے قریب خلا میں رکھا جاتا ہے تاکہ غیر آلودہ سطحوں کو محفوظ رکھا جا سکے اور ایسے ذرات کے ساتھ تصادم سے بچا جا سکے جو سپیکٹرومیٹر کی طرف جاتے ہوئے فوٹو الیکٹرانوں کی توانائی اور رفتار کو تبدیل کرنے کے قابل ہوں۔ جیسا کہ فوٹو ایمیشن کے عمل میں، مومنٹم کو محفوظ رکھا جاتا ہے ؛ لہذا، مونو کرسٹل سے فوٹو الیکٹرانوں کی کونیی تقسیم، چاہے وہ نینو میٹرک سائز کی ہو، اس کرسٹل میں ابتدائی الیکٹرانک حالتوں کی مومنٹم تقسیم کو براہ راست ظاہر کرنے کے قابل بھی ہے۔ نینو-اے آر پی ای ایس کے نتائج، جیسا کہ اے آر پی ای ایس تکنیک میں، روایتی طور پر ناقابل تلافی برلوئن زون کی اعلی ہم آہنگی کی سمتوں کے ساتھ توانائی-مومنٹم بازی کے تعلق کے طور پر دکھائے جاتے ہیں، جو تحقیق شدہ مواد کے بینڈ بازی کو ظاہر کرتے ہیں۔ جب خارج ہونے والے فوٹو الیکٹرانوں کو باہمی خلا کے بڑے حصوں میں مستقل توانائی کی سطحوں کے ذریعے دکھایا جاتا ہے، تو نینو-آرپس بھی تحقیق شدہ مواد کی فرمی سطح کا درست تعین کر سکتے ہیں۔ نمونوں میں الیکٹرانوں کے الیکٹرانک منتشر ہونے کا مقامی نقشہ بنانے کی منفرد صلاحیت کی وجہ سے، نینو-اے آر پی ای ایس اعلی بائنڈنگ انرجی اور مومنٹم ریزولوشن کے ساتھ نینو میٹریلز کی الیکٹرانک امیجنگ بھی تیار کر سکتا ہے۔ چونکہ نینو-اے آر پی ای ایس ایک اسکیننگ تکنیک ہے، اس لیے یہ جدید ترین اے آر پی ای ایس سپیکٹرومیٹرز کا استعمال کر سکتا ہے، بغیر ان کی ضرورت کے کہ وہ تجزیہ شدہ فوٹو الیکٹرانوں کی اصل کو مقامی طور پر امتیاز کرنے کے قابل بھی ہوں۔ نتیجتا، نینو-اے آر پی ای ایس آلات اے آر پی ای ایس سیٹ اپ کے لیے تیار کردہ جدید ترین سپیکٹرومیٹرز سے فائدہ اٹھا سکتے ہیں، خاص طور پر وہ جو جدید ترین نسل کے الیکٹران سپیکٹرومیٹرز کے ہیں جن میں دو جہتی پتہ لگانے اور اعلی توانائی اور مومنٹم ریزولوشن ہے۔ پس منظر ٹھوسوں کے الیکٹرانک بینڈ ڈھانچے کی فہم کا اطلاق گھنے مادے کی طبیعیات کے بہت سے شعبوں میں کیا جاتا ہے، جس سے بہت سے مظاہریاتی رجحانات کی خوردبین تفہیم میں مدد ملتی ہے اور فوٹو ایمیشن، آپٹکس، غیر لچکدار نیوٹرون بکھرنے، مخصوص حرارت میں تجرباتی سپیکٹر کی تشریح کی رہنمائی ہوتی ہے، بشمول اسپن پولرائزیشن کا اثر۔ زیادہ تر جدید بینڈ الیکٹرانک ڈھانچے کے نظریاتی طریقے کسی ٹھوس میں الیکٹرانوں کے لیے مکمل کئی جسم والے شروڈنگر مساوات کو حل کرنے کے لیے ڈینسٹی فنکشنل تھیوری کو استعمال کرتے ہیں۔ ٹھوسوں کے الیکٹرانک ڈھانچے کو بیان کرنے کے لیے مربوط تجرباتی اور نظریاتی نقطہ نظر کنڈکٹرز، موصلیت، اور سیمی کنڈکٹرز کے درمیان فرق کو براہ راست تصور کرنے کی اجازت دیتا ہے جو کہ مخصوص توانائی اور رفتار کی اجازت یافتہ اور ممنوع الیکٹرانک حالتوں کی موجودگی کے مطابق ہوتا ہے، جس کا حساب کوانٹم میکانکس کے ذریعے کیا جا سکتا ہے اور اے آر پی ای ایس کا استعمال کرتے ہوئے ماپا جا سکتا ہے۔ اے آر پی ای ایس تکنیک میں بینڈ کے ڈھانچے کا براہ راست تعین کرنے کی منفرد صلاحیت ہے۔ اس طرح یہ ٹھوسوں میں الیکٹران تعامل کی ڈگری اور قسم کو سمجھنے میں مدد کرتا ہے، مختلف نظریاتی طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے شمار کیے گئے بینڈ الیکٹرانک ڈھانچے کے نتائج کی تصدیق یا مقابلہ کرتا ہے۔ تاہم، اس تکنیک کا لیٹرل ریزولوشن، ہیرا پھیری، اور متنوع نمونوں کے سب مائیکرومیٹرک کی واقفیت کافی محدود ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ اے آر پی ای ایس میں ماپا جانے والے الیکٹران وہ تمام الیکٹران ہوتے ہیں جو فوٹو جذب کرنے کے عمل سے خارج ہوتے ہیں جو واقع فوٹونوں سے ہوتے ہیں۔ اگر نمونے کا روشن علاقہ غیر یکساں علاقوں کا احاطہ کرنے کے لیے کافی بڑا ہے، تو پتہ چلا ہے کہ خارج ہونے والے الیکٹران تمام مختلف روشن پیچوں سے خارج ہونے والے تمام فوٹو الیکٹرانوں کا مجموعہ ہیں۔ اگر ہر علاقے میں ایک مخصوص الیکٹرانک بینڈ ڈھانچہ ہے، تو اے آر پی ای ایس سپیکٹرم روشن علاقے میں موجود ہر مختلف پیچ کے سائز کے مطابق ان سب کا اوسط وزن دکھائے گا۔ در حقیقت، بہت سے پیچیدہ مواد غیر متزلزل چھوٹے مونو کرسٹل یا کئی نینو میٹرک مونو کرسٹل پر مشتمل ہوتے ہیں۔ روایتی اے آر پی ای ایس اپنا اوسط الیکٹرانک ڈھانچہ صرف اس صورت میں فراہم کر سکتا ہے جب پیچ کا سائز اے آر پی ای ایس سیٹ اپ کے اسپاٹ سائز سے چھوٹا ہو، عام طور پر 200 یو ایم۔ یہ حد مائیکرومیٹرک اور سب مائیکرومیٹرک زون والے نمونوں میں بھی موجود ہے جس میں ناپسندیدہ ضمنی کیمیائی رد عمل کی وجہ سے مخصوص کیمیائی ساخت ہے، مثال کے طور پر، ابتدائی نمونے کی آلودگی یا آکسیکرن سے پیدا ہوتا ہے۔ لہذا، روایتی اے آر پی ای ایس کے لیے مونوکرومیٹک فوٹون بیم کا اسپاٹ سائز عام طور پر 200 این ایم سائیڈ سے زیادہ ہونے کی وجہ سے، اس سائز یا اس سے بڑے کے ساتھ صرف یکساں نمونوں کا مطالعہ کیا جا سکتا ہے۔ نتیجتا، چھوٹے کرسٹل مواد اور مختلف اقسام کے بڑے نمونوں کے الیکٹرانک ڈھانچے کا تجرباتی تعین انجام دینے کے لیے اے آر پی ای ایس میں ایک ذیلی مائکرومیٹرک لیٹرل ریزولوشن شامل کیا جانا چاہیے۔ نینو-اے آر پی ای ایس نے نینو میٹرک پیمانے کے اندر فوٹون واقع بیم کے سائز کو فوکلائز کرکے اس پس منظر کے امتیاز کو نافذ کیا ہے۔ اسی طرح اے آر پی ای ایس کے لیے، نینو میٹریلز کے الیکٹرانک بینڈ ڈھانچے کو براہ راست نینو-اے آر پی ای ایس کا استعمال کرتے ہوئے خارج شدہ الیکٹرانوں کی حرکی توانائی، رفتار اور مطلق رفتار کی پیمائش کرکے ماپا جا سکتا ہے۔ نینومیٹرک پیمانے تک اسپاٹ سائز پر توجہ مرکوز کرنے والی فوٹون بیم کو باقاعدگی سے چند معروف ایکس رے پر مبنی طریقوں، جیسے اسکیننگ ٹرانسمیشن ایکس رے مائکروسکوپی (ایس ٹی ایکس ایم) اور اسکیننگ فوٹو ایمیشن مائکروسکوپی (ایس پی ای ایم) میں حاصل کیا گیا ہے۔ تاہم، یہ تکنیکیں بہت کم مطالبہ کرتی ہیں کیونکہ وہ عام طور پر 150 ای وی سے زیادہ واقع فوٹون توانائیاں استعمال کرتی ہیں اور غیر زاویہ حل شدہ پیمائش کی ضرورت ہوتی ہے، صرف ایکس رے جذب گتانک اور کور سطح کے فوٹو الیکٹرانوں کے متناسب مربوط اشاروں کو ریکارڈ کرتی ہیں۔ دونوں صورتوں میں، فریسنل زون پلیٹس (ایف زیڈ پی) کی کارکردگی لیٹرل ریزولوشن کا تعین کرنے والا لازمی جزو ہے، جو مائیکرو سے نینومیٹرک لیٹرل ریزولوشن تک مختلف ہے۔ آج کل مارکیٹ میں کئی کمپنیاں ایف زیڈ پیز کو 30 این ایم سے بہتر ریزولوشن فراہم کرتی ہیں، جس نے کئی ایکس رے پر مبنی خوردبین جیسے ایس ٹی ایکس ایم اور ایس پی ای ایم آلات کی تعمیر اور آپریشن میں سہولت فراہم کی ہے۔ تاہم، نینو-اے آر پی ای ایس تکنیک کے لیے بہت کم واقع فوٹون توانائی کی ضرورت ہوتی ہے، عام طور پر 6 ای وی سے 100 ای وی تک) تاکہ فرمی سطح کے نیچے اور قریب الیکٹرانک ریاستوں کے ذریعے خارج ہونے والے فوٹو الیکٹرانوں کا پتہ لگایا جا سکے، جو واقع فوٹون توانائی میں کمی کے ساتھ ساتھ کراس سیکشن میں اضافہ کرتے ہیں۔ ایک متبادل کے-اسپیس امیجنگ اپروچ انرجی فلٹرڈ فوٹو ایمیشن مائکروسکوپس (پی ای ای ایم) پر مبنی ہے، لیٹرل ریزولوشن واقعے کے فوٹون بیم کو فوکلائز کرنے کے بجائے الیکٹران آپٹیکل کالم کا استعمال کرتے ہوئے حاصل کیا جاتا ہے۔ پی ای ای ایم کا یہ مکمل فیلڈ کے-اسپیس ورژن تجارتی طور پر دستیاب ہے۔ تاہم، کے-اسپیس امیجنگ کے ساتھ اس تجارتی طور پر دستیاب فل فیلڈ پی ای ای ایم ورژن کے لیے، اعلی توانائی اور مومنٹم ریزولوشن حاصل کرنا مشکل ہے۔ انسٹرومینٹیشن عام طور پر، اعلی توانائی اور مومنٹم ریزولوشن اے آر پی ای ایس تجربات سنکروٹرون پر کیے جاتے ہیں، جو آرڈر شدہ مواد کے الیکٹرانک بینڈ ڈھانچے کو براہ راست ریکارڈ کرنے کے لیے روشن اور ٹیون ایبل اعلی توانائی والے فوٹون ذرائع فراہم کر سکتے ہیں۔ اس سے تیز اور درست E بمقابلہ k منتشر اور مستقل توانائی کی سطحیں حاصل ہوتی ہیں، بشمول وہ جو مطالعہ شدہ مواد کی فرمی سطح سے مطابقت رکھتی ہیں۔ روایتی اے آر پی ای ایس نظام فوٹونوں کی ایک تنگ بیم فراہم کرنے کے لیے ایک یک رنگ روشنی کے منبع پر مشتمل ہوتا ہے، ایک نمونہ ہولڈر جو ایک ہیرا پھیری سے منسلک ہوتا ہے جو الیکٹران سپیکٹرومیٹر (ڈٹیکٹر) سے متعلق نمونوں کو کونیی اور ٹرانسلیشنل طور پر پوزیشن کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے، اور انسیٹنٹ لائٹ بیم فوکس۔ یہ سامان الٹرا ہائی ویکیوم (یو ایچ وی) ماحول میں موجود ہوتا ہے، جو نمونے کو ناپسندیدہ آلودگی سے بچاتا ہے اور خارج ہونے والے الیکٹرانوں کے بکھرنے کو روکتا ہے۔ حرکی توانائی اور اخراج کے زاویے کے لیے دو عمودی سمتوں میں منتشر ہونے کے بعد، الیکٹرانوں کو ڈٹیکٹر کی طرف بھیج دیا جاتا ہے اور ایک رفتار کی سمت میں بینڈ کی ساخت کے اے آر پی ای ایس سپیکٹر-سلائسز فراہم کرنے کے لیے شمار کیا جاتا ہے۔ دوسرے روایتی اے آر پی ای ایس آلات سے اس کے مخصوص آلات کے سیٹ اپ کا بنیادی فرق یہ ہے کہ نرم ایکس رے بیم فریسنل زون پلیٹس (ایف زیڈ پی) لینس کا استعمال کرتے ہوئے ذیلی مائکرومیٹرک جگہ پر مرکوز ہوتا ہے۔ نمونوں کو اعلی صحت سے متعلق ہیرا پھیری کرنے والے پر نصب کیا جا سکتا ہے جو x، y، اور z سمتوں میں نینو اسکیل نمونے کی پوزیشننگ کو یقینی بناتا ہے، جہاں قطبی زاویہ (θ) اور ایزموتھل زاویہ (χ) کو بھی خود بخود اسکین کیا جا سکتا ہے۔ یہ بنیادی انسٹرومینٹیشن دو آپریٹنگ طریقوں کی اجازت دیتا ہے: نینو-اے آر پی ای ایس پنکچوئل موڈ (آپریٹنگ موڈ ٹائپ 1) نینو اسپاٹ کے ساتھ جو نینومیٹرک کرسٹل لائن ٹھوسوں کے بینڈ ڈھانچے کا نقشہ بناتا ہے تاکہ روایتی اے آر پی ای ایس کی طرح انتہائی مربوط اور غیر مربوط مواد میں قوسی پارٹیکل ڈائنامکس کا مطالعہ کیا جا سکے، اور نینو-اے آر پی ای ایس امیجنگ موڈ (آپریٹنگ موڈ ٹائپ 2) جو منتخب بائنڈنگ انرجی اور مومنٹم ویلیوز رینج کے فوٹو الیکٹرانوں کی حقیقی جگہ میں مقامی تقسیم کی پیمائش کرتا ہے۔ جدید ترین نینو-اے آر پی ای ایس خوردبین ایف زیڈ پی کے نمونوں کی پوزیشن کے مسلسل انٹرفیرومیٹرک کنٹرول سے لیس ہیں، جو تھرمل اور مکینیکل بہاؤ سے بچتے ہیں۔ یہ ریکارڈ شدہ نینو-اے آر پی ای ایس امیجز (آپریٹنگ موڈ ٹائپ 2) کی ناپسندیدہ مسخیوں اور باہمی جگہ کی مخصوص سمتوں کے ساتھ ای بمقابلہ کے منتشر منحنی خطوط کی درستگی اور تولیدی صلاحیت کو روکنے کے لیے ضروری ہے۔ باہمی خلا اور فرمی سطح کی نقشہ سازی میں توانائی کی مستقل سطحیں نینو-اے آر پی ای ایس سیٹ اپ میں، استعمال شدہ تجزیہ کار نصف کروی الیکٹران توانائی ہیں جو عام طور پر اعلی توانائی اور کونیی ریزولوشن روایتی اے آر پی ای ایس آلات میں نصب ہوتی ہیں۔ وہ مومنٹم اور انرجی چینلز کے اختلاط کو روکنے کے لیے سلٹ کا استعمال کرتے ہیں اور اس کے نتیجے میں، صرف ایک سمت میں کونیی نقشے لے سکتے ہیں۔ روایتی اے آر پی ای ایس کی طرح توانائی اور دو جہتی مومنٹم اسپیس پر نقشے ریکارڈ کرنے کے لیے، یا تو نمونے کو گھمانے کی ضرورت ہے، یا جمع شدہ فوٹو الیکٹران بیم کو الیکٹروسٹیٹک لینس کے ساتھ سپیکٹرومیٹر کے اندر امتیازی سلوک کیا جانا چاہیے، نمونے کو درست رکھتے ہوئے۔ توانائی-زاویے-زاویے کے نقشوں کو بائنڈنگ توانائی-k// x-k// y نقشوں میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ یہ تصاویر مستقل توانائی کی سطحوں کو باہمی خلا کے k// x اور k// y لہروں کے ویکٹر کے فنکشن کے طور پر ظاہر کرتی ہیں۔ سب سے قابل ذکر مستقل توانائی کی سطح فرمی سطح کا نقشہ ہے، جو فرمی سطح پر بائنڈنگ توانائی کے ساتھ ان فوٹو الیکٹرانوں کا پتہ لگا کر حاصل کیا جاتا ہے۔ ایپلی کیشنز نینو-اے آر پی ای ایس تکنیک متنوع گاڑھا مادے کے شعبوں جیسے کوانٹم میٹریل ہائی ٹمپریچر سپر کنڈکٹرز، ٹپوولوجیکل میٹریل سیمی کنڈکٹرز میٹلز، غیر بہت بڑے بینڈ گیپ والے انسولٹرز اور مختلف قسم کے کم جہتی مواد اور ہیٹرو اسٹرکچرز میں میسوسکوپک یا ہیٹروجینیئس مواد کے الیکٹرانک بینڈ ڈھانچے کو حل کرنے کے لیے ایک لازمی ٹول ہے جس میں کنفائنمنٹ، مختلف اسٹیکنگز اور ہائبرڈائزیشن کے اثرات ہوتے ہیں۔ نیز، تمام قسم کے فیز ٹرانزیشنز، چارج ڈینسٹی ویوز، بینڈ ہائبرڈائزیشن فیز سیپرشن، چارج ٹرانسفر، اور ان آپریڈو ڈیوائسز سے وابستہ الیکٹرانک ڈھانچے کی تبدیلیوں کو اعلی توانائی اور مومنٹم ریزولوشن کے ساتھ نینو لیٹرل ریزولوشن کو جوڑ کر ظاہر کیا جا سکتا ہے۔ کنڈینسڈ میٹر فزکس میں حوالہ جات لیبارٹری تکنیک ایمیشن سپیکٹروسکوپی الیکٹران سپیکٹروسکوپی