طیف‌سنجی فوتولومینسانس (PL) چیست؟

طیف‌سنجی فوتولومینسانس

طیف‌سنجی فوتولومینسانس (به اختصار PL) یک روش غیر تماسی و غیر مخرب برای بررسی ساختار الکترونیکی مواد است. فوتولومینسانس (photoluminescence) از انوع لومینسانس بوده که در آن، ماده با جذب کردن فوتون برانگیخته می‌شود و بر اثر گذارِ الکترونی، نور می تاباند. در فرایند لومینسانس، الکترون های ماده هدف که در شرایط معمول در حالت یا تراز انرژی پایه به سر می برند، با گرفتن انرژی از یک منبع مشخص به حالت های پر انرژی تر برانگیخته می رود.

در بازگشت الکترون های ماده از حالت بر انگیخته به حالت پایه، انرژی برانگیختگی به صورت نور (انرژی فوتون ها) گسیل می شود. به طور معمول (به جز در موارد خاص) انرژی برانگیختگی به دلیل دخالت برخی از انتقالات درون مولکولی (یا اتمی) از جمله اتلاف انرژی به صورت گرمایی، از انرژی نور گسیل شده بیشتر است. از آن جهت که فرآیند لومینسانس نیازمند دماهای بالا نبوده و در دماهای معمول و نسبتا پایین اتفاق می افتد، به نور ساطع شده، نور سرد هم گفته می شود. در فوتولومینسانس تحریک به وسیله فوتون ها صورت می گیرد و به لحاظ مکانیک کوانتوم، در این فرایند برانگیختگی به سطوح انرژی بالاتر و سپس بازگشت به سطح انرژی پایین تر با جذب و نشر فوتون همراه است.

بیشتر بدانید : میکرواسپکتروفوتومتر

انواع فوتولومینسانس

تابش رزونانس

در تابش رزونانس، فوتونی با طول موج خاصی جذب می شود و فوتون معادل آن فورا ساطع می شود، که از طریق آن هیچ انتقال انرژی داخلی قابل توجهی از بستر شیمیایی بین جذب و گسیل درگیر نیست و فرآیند معمولاً مرتبه 10 نانوثانیه است.

 فلورسانس

یکی از انواع فوتولومینسانس است که در آن اتم ها یا ملکول ها امواج الکترومغناطیس (یا همان انرژی فوتون ها) را جذب کرده، برانگیخته می شوند و در بازگشت به حالت پایه نیز، انرژی اضافی خود را در قالب فوتون از دست می دهند. فلورسانس اتمی شامل نشر نور از توده ای بخاری شکل شامل ماده به صورت اتمی است که به وسیله جذب فوتون تحریک شده است. طول موج نور نشر شده از ویژگی های مشخصه اتم مورد نظر است. در مورد فلورسانس، مدت زمانی که گونه در حالت برانگیخته است بسیار کوتاه است و نشر نور تقریبا بلافاصله بعد از برانگیختگی اتفاق می افتد.

 فسفرسانس

در صورتی که مدت زمان نشر نور بعد از برانگیختگی طولانی تر شود به این نوع لومینسانس، فسفرسانس گفته می شود. در فسفرسانس نشر نور بین دو تراز با چندگانگی اسپین متفاوت اتفاق می افتد. با توجه به اینکه تغییر اسپین مستلزم صرف زمان است، بنابراین فسفرسانس طول عمر بیشتری دارد.

اهمیت فوتولومینسانس

در اکثر سیستم‌های فوتولومینسانس، تجمع کروموفور عموماً باعث خاموشی انتشار نور ناشی از تجمع (ACQ) می شود. این بدان معنی است که استفاده و مطالعه فلوروفورها در محلول های رقیق یا به عنوان مولکول های جدا شده ضروری است. این به نوبه خود منجر به حساسیت ضعیف دستگاه هایی می شود که از فلورسانس استفاده می کنند، به عنوان مثال، حسگرهای زیستی و سنجش های زیستی. با این حال، اخیراً نمونه‌هایی گزارش شده‌اند که در آن‌ها تجمع لومینوژن نقش سازنده‌ای به جای نقش مخرب در فرآیند تابش نور داشته است. این انتشار ناشی از تجمع (AIE) به ویژه در مورد دستگاه های حالت جامد از اهمیت بالقوه زیادی برخوردار است. طیف سنجی فوتولومینسانس روش خوبی برای مطالعه خواص فوتولومینسانس یک فلوروفور ارائه می دهد. یکی از دقیق ترین دستگاه‌های مجهز به تکنیک طیف سنجی PL میکرواسپکتروفتومتر است. 

کاربرد های فوتولومینسانس

تشخیص ویژگی های ACQ یا AIE

خاموش شدن ناشی از تجمع (ACQ) انتشار نور یک پدیده عمومی برای بسیاری از ترکیبات معطر است که فلورسانس با افزایش غلظت محلول و حتی فاز متراکم آن ضعیف می شود. با این حال، چنین تأثیری در حالت جامد ظاهر می‌شود، که مانع از یافتن بسیاری از لومینوژن‌های سرب شناسایی‌شده توسط فرآیند غربال‌گری محلول آزمایشگاهی می‌شود تا کاربردهای دنیای واقعی را به شکل مهندسی قوی پیدا کنند.

از سوی دیگر، انتشار ناشی از تجمع (AIE)، یک پدیده جدید است که تجمع به جای نقش مخرب در فرآیند ساطع نور، که دقیقا مخالف اثر ACQ است، نقش سازنده ای ایفا می کند.

تعیین فاصله باند

شکاف نواری تفاوت انرژی بین حالت‌های باند رسانایی و ظرفیت، انتقال تشعشعی در نیمه‌رساناها است. توزیع طیفی PL از یک نیمه هادی را می توان برای تعیین غیر مخرب شکاف باند الکترونیکی تجزیه و تحلیل کرد. این وسیله ای برای تعیین کمیت ترکیب عنصری نیمه هادی ترکیبی فراهم می کند و یک پارامتر ماده حیاتی است که بر کارایی دستگاه سلول خورشیدی تأثیر می گذارد.

سطوح ناخالصی و تشخیص نقص

انتقال تابشی در نیمه هادی ها شامل سطوح نقص موضعی است. انرژی فوتولومینسانس مربوط به این سطوح را می توان برای شناسایی عیوب خاص استفاده کرد و از مقدار فوتولومینسانس برای تعیین غلظت آنها استفاده کرد. طیف PL در دماهای پایین نمونه اغلب پیک های طیفی مرتبط با ناخالصی های موجود در ماده میزبان را نشان می دهد. ریزطیف‌سنجی فوتولومینسانس تبدیل فوریه، که از حساسیت بالایی برخوردار است، پتانسیل شناسایی غلظت‌های بسیار کم ناخالصی‌های عمدی و غیرعمدی را فراهم می‌کند که می‌تواند به شدت بر کیفیت مواد و عملکرد دستگاه تأثیر بگذارد.

ساختار سطحی و حالات برانگیخته

روش‌های مرسوم پرکاربرد مانند طیف‌سنجی XRD، IR و رامان، اغلب برای کاتالیزورهای اکسید پشتیبانی شده با غلظت‌های اکسید فلزی پایین به اندازه کافی حساس نیستند. با این حال، فوتولومینسانس به اثرات سطحی یا گونه های جذب شده ذرات نیمه هادی بسیار حساس است و بنابراین می تواند به عنوان یک کاوشگر فرآیندهای سطح الکترون-حفره استفاده شود.

محدودیت های طیف سنجی فوتولومینسانس

غلظت های بسیار پایین مراکز نوری را می توان با استفاده از فوتولومینسانس تشخیص داد، اما به طور کلی یک روش کمی نیست. محدودیت علمی اصلی فوتولومینسانس این است که بسیاری از مراکز نوری ممکن است چندین حالت برانگیخته داشته باشند که در دمای پایین پر نمی شوند.

ناپدید شدن سیگنال لومینسانس یکی دیگر از محدودیت های طیف سنجی فوتولومینسانس است. به عنوان مثال، در توصیف مراکز فوتولومینسانس سیلیکون، هیچ نورتابی با خط تیز از مراکز 969 مگا الکترون ولت، زمانی که آن ها دارای نقص بین نشینی بودند مشاهده نشد.