که دارای الکترون جفت نشده هستند، ناخالصی فعال‌ساز می‌نامند. این یون‌ها، شامل فلزات واسطه (عناصر از Sc تا Ni) با لایه d نیمه پر و یا از عناصر خاکی نادر (REE)61 با لایه f نیمه پر، می‌باشد.
از تمام این عناصر، آهن یکی از بیشترین عناصر موجود در پوسته زمین است (حدود 50%)، بنابراین یون‌های آهن سهم بزرگی در ایجاد مراکز رنگی در مواد معدنی دارند. به علت فراوانی نسبتاً بالاتر آهن و شباهت آن به یون‌های Ca2+ و Mg2+ از نظر شعاع، در مواد معدنی مختلف آهن جایگزین این یون‌ها می‌شود. این پدیده، نمونهای کلی از فرایند فعال‌سازی به وسیله عناصر فلزی واسطه است.
عناصر خاکی نادر (REE) که به لانتانیدها نیز معروف هستند، دارای خواص شیمیایی خیلی شبیه به هم می‌باشند. ساختار الکترونی این گروه به صورت زیر است:
[1s22s22p63s23p63d104s24p64d10] 4f9 [5s25p6] 5d16s2, where k = 1…14
بیشتر عناصر خاکی نادر، یون‌های سه ظرفیتی هستند، اما برخی از آنها همچون Eu و Sm، میتوانند دو ظرفیتی هم باشند. در موارد REE2+، الکترون‌های 6s کنده شده، و الکترون 5d باقیمانده با بیشترین احتمال برانگیخته می‌شود، از این رو در گذار نوری شرکت می‌کند. این الکترون تقریبا آزاد بوده و تحت تاثیر محیط واقع می‌شود. بنابراین پیک REE2+ پهن و وابسته به پارامترهای بلور می‌باشد. این پیک‌ها به خاطر اینکه گذارها از تراز f به تراز d (f→d) و با احتمال کمتر به صورت f→f در محدوده مرئی رخ می‌دهند، باعث پهن‌شدگی پیک‌ها می‌شوند. همچنین این گذارها با هم همپوشانی می‌کنند.
در موارد کلی از یون‌های سه ظرفیتی، REE3+، الکترون اضافه 5d به بیرون از یون برکنی شده و تنها الکترون‌های لایه داخلی نیمه پر 4f میتوانند در گذار شرکت کنند. این الکترون‌ها با دو لایه کاملاً پر، پوشش داده می‌شوند و تحت تاثیر محیط نیستند. پیک‌های لومینسانس فعال شده با REE3+ به صورت تیزتر نشان داده می‌شوند. در این حالت گذارهای f→d در ناحیه فرابنفش هستند و با گذارهای f→f همپوشانی ندارند.
2-5-1-2 باز فعال کننده یا حساسیت‌زا
گاهی گذار لومینسانی در ناخالصی‌های فعال کننده، تنها به طور مؤثر با باز برانگیختگی یون دیگری که به عنوان ناخالصی وجود دارد، صورت می‌گیرد. در این مورد، برانگیختگی فعال کننده با باریکه پروتونی، فرایند کارآمد نبوده و انرژی انتقال تشدیدی62 از یک یون به یون دیگر (مانند لیزرهای گازی) می‌تواند ترازهای لومینسان را پمپ کند. شکل (2-13) ترازهای انرژی باز فعال کننده یا حساسیت‌زا و فرایندهای انتقال تشدیدی به سطوح یک ناخالصی فعال‌ساز را نشان می‌دهد.
شکل (2-13) فرایند انتقال انرژی رزونانس از حساسیت‌زا به ناخالصی فعال‌ساز [14]
2-5-1-3 خاموش کننده
گاهی تطبیق سطوح انرژی رزونانس بین دو ناخالصی متفاوت، مانع تشکیل پدیده لومینسانس می‌شود. در واقع، یون‌های خاموش کننده میتوانند انرژی مرکز لومینسان برانگیخته شده را بدون گسیل نور کاملاً سیفون کنند. مهم‌ترین یون خاموش کننده در مواد معدنی، Fe2+ است. با این حال، این یون می‌تواند در برخی محیط‌ها به یک فعال کننده تبدیل شده و تنها نسبت به محیط‌های بلوری خاص و فعال کننده، در نقش خاموش کننده ظاهر می‌شود.
2-5-2 سازوکار فرایندهای بازترکیب
چندین سازوکار برای عمل بازترکیب ممکن است. به طور عام، سازوکارهایی که منتهی به بازترکیب تابشی می‌شوند، به مواردی همچون دمای نمونه، حالت ظرفیت اتم‌های حاوی هر نوع ناخالصی و غلظت نقص‌ها وابسته هستند. برخی از سازوکارهای بازترکیب eh، مسئول لومینسانس ناشی از مواد خالص، وسالم هستند. به این نوع لومینسانس، لومینسانس طبیعی یا ذاتی گفته می‌شود. همچنین لومینسانس ممکن است ناشی از نقص، dopants، و یا سایر ناخالصی موجود در مواد باشد که به آن، لومینسانس غیرذاتی (بیرونی) می‌گویند. در زیر سازوکارهای ممکن برای بازترکیب eh به طور خلاصه توضیح داده شده است.
2-5-2-1 بازترکیب جفت پذیرنده- دهنده
در برخی مواد، ساختارهای نقص یا dopants میتوانند الکترون‌ها یا حفره‌ها را گیراندازی کنند. الکترون توسط پذیرنده و حفره به وسیله دهنده گیراندازی می‌شود. با بازترکیب جفت پذیرنده- دهنده گیراندازی شده، لومینسانس تولید می‌شود. در این حالت انرژی لومینسانس به انرژی بستگی الکترون به دهنده و حفره به پذیرنده و همچنین به طور معکوس به جداسازی جفت بستگی دارد.
2-5-2-2 بازترکیب عناصر خاکی نادر و واسطه
به طور واضح، هر شخصی که رفتار نمونه‌های زمین شناسی را تحت تابش با باریکه‌ای از ذرات مشاهده می‌کند، محدوده رنگارنگی از پدیده زیبای لومینسانس را می‌بیند. معمولاً لومینسانس نمونه‌های زمین شناسی در نتیجه انتقال الکترونی در میان پوستههای اتمی بیرونی‌تر مراکز فعال کننده ناشی می‌شود. در مواد معدنی این فعال کنندهها معمولاً عناصر خاکی نادر یا فلزات واسطه هستند. در این صورت لومینسانس را با مراجعه به آرایش الکترونی اتم فعال کننده می‌توان درک کرد. برای مثال، معمولاً Mn2+ به عنوان فعال کننده در ماده محافظ سوسوزن ZnSiO4 (scintillator screen material) استفاده شده می‌شود.
فلزات واسطه همچون Mn2+ پوسته بیرونی 3d نیمه پر دارند، که باعث می‌شود گذارها به میدان بلوری اطراف بسیار حساس باشند. در نتیجه، طیف لومینسانس پهن و گوسی شکل خواهد بود. یون‌های Fe2+ به طور معمول در این نوع از لومینسانس، به صورت خاموش کننده عمل می‌کنند. از سوی دیگر، فلزات خاکی نادر، دارای پوسته 4f پر نشده هستند، که به وسیله پوسته بیرونی‌تر 5s,p,d از میدان بلور اطراف پوشیده می‌شود. در نتیجه انتقال‌هایی که در فلزات خاکی نادر رخ می‌دهند، تیزتر هستند. این امر در طیف آیبیل ناشی از فسفر قرمز در لامپ نمایش تصویر قابل مشاهده است. در این مثال، پاسخ آیبیل از اروپیم دوپ شده در فسفر سرچشمه می‌گیرد. پاسخ اروپیم به طور واضح در طیف پیکسی که به طور همزمان با طیف آیبیل جمع آوری شده، مشاهده می‌شود.
به استثنای Eu2+ و Sm2+، فلزات خاکی نادر عموماً در حالت سه ظرفیتی یافت می‌شوند. به طور عام، طول موج انتقال‌هایی که در فلزات واسطه و عناصر خاکی نادر رخ می‌دهند، تحت تأثیر حالت ظرفیت ناخالصی و هم‌آرایی آنها در بلور هستند.
2-5-2-3 بازترکیب تحریک مقید و آزاد
معمولاً تولید جفت‌های eh در مواد معدنی منجر به تشکیل حالت مقید حفره- الکترون می‌گردد که اکسیتون63 نامیده می‌شود. ترازهای انرژی پیوسته (ترکیب شده) در اکسیتون درون شکاف نوار مواد افتاده و ساختار ترازی آن آبزاد64 است (شبیه به هیدروژن). از آنجا که لومینسانس در انرژی‌هایی نزدیک به انرژی شکاف باند رخ می‌دهد، به آن گسیل لبه65 گفته می‌شود. تابش بازترکیب اکسیتونی که به وسیله کاتدولومینسانس یا فوتولومینسانس تولید می‌شوند، به طور گسترده برای اندازه‌گیری مشخصات الماس‌های طبیعی و مصنوعی دوپ شده یا دوپ نشده استفاده شده است. هرچند این پاسخ هنوز برای IBIL در میکروپروب هسته‌ای بهره‌برداری نشده، اما به صورت بالقوه، این سیگنال به دلیل حساسیتش به ناخالصی فعال الکتریکی، مفید است.
2-5-3 شدت لومینسانس یونی
شدت لومینسانس ذره- القائی را می‌توان با رابطه زیر به صورت تئوری مدلسازی نمود:
YIL(c,λ) = Nc R(λ) Fesc 0∫∆x FA(λ,x)Bc[(dE/dx)e + fn(dE/dx)n]dx (2-12)
که در معادله بالا، Nc تعداد کل مراکز بازترکیب تابان از نوع c، R(λ) بازده مجموعه پاسخ از دستگاه‌های آزمایشگاهی (سیستم جمع‌آوری نور و آشکارساز) مربوط به طول موج نور گسیلی، Fesc نسبت نور که از نمونه بعد از بازتاب درونی برآورد می‌شود، FA بیانگر جمله خود جذبی که متناسب با exp(-αx)، که α ضریب جذب مواد می‌باشد (وابسته به طول موج)، و x عمق تولید؛ Bc بازده بازترکیب تابان (یعنی کسر جفت‌های الکترون- حفره تولید شده که با فرایندهای تابان بازترکیب می‌شوند)، (dE/dx)e و (dE/dx)n آهنگ از دست دادن انرژی هسته‌ای و الکترونی یون‌ها درون نمونه، می‌باشند. در رابطه فوق تعداد زیادی پارامترهای آزمایشگاهی وجود دارند که تخمین آنها مشکل می‌باشد، بنابراین ارزیابی نظریه شدت پاسخ تقریباً غیر ممکن بوده و آنالیز کمّی واقعاً دشوار است.
تعدادی پارامتر فیزیکی و هندسی موثر بر روی آشکارسازی پاسخ IBIL وجود دارند. دمای نمونه، بازتاب درونی آن و تخریب ناشی از باریکه میتوانند بازده IBIL و طیف آن را تغییر دهند. به طور خاص، با افزایش شار یونی و بر اثر آن افزایش تخریب شبکه به واسطه یون، کسر جفت‌های الکترون- حفره که با فرایندهای تابان بازترکیب می‌شوند کاهش می‌یابد. بنابراین خاموش کنندگی شدت لومینسانس با استفاده از رابطه بیرکس66 و بلاک67 تعریف می‌شود:
L(F) = L0/[1+k(eσF-1)] (2-13)
که L پاسخ لومینسانس [a.u.] بعد از جذب شار F [ions/cm2]، L0 پاسخ اولیه لومینسانس، k نسبت بین مراکز بازترکیبی تابان و غیرتابان و σ سطح مقطع مؤثر تخریب یون [cm2] می‌باشد [9].
2-6 پيشينه تحقيق
در این بخش مختصری پیرامون اصطلاح و علت انتخاب کلمه لومینسانس برای توصیف پدیده مورد بحث مطالبی بیان شده و سپس با توجه به اینکه از ابتدای شناسایی این پدیده تاکنون کارهای زیادی صورت گرفته است، به بیان کارهایی که در دو دهه اخیر برای کسب دانش بیشتر در مورد آن انجام شده است، پرداخته می‌شود.
داستان از زمان‌های دور و از جواهرات درخشان و سنگ‌های نورانی شروع شد، اما در اغلب موارد، نوری که دیده می‌شد به دلیل بازتاب بوده و در حقیقت برگرفته از گسیل نور نبوده است، لیکن جاذبه‌های نوری موجود، انسان را به مطالعه پیرامون پدیده‌های نوری واداشته است [21].
واژه لومینسانس، از کلمه لاتین Lumen به معنی نور گرفته شده [17] و برای اولین بار جهت توصیف پدیده لومینسانس، در سال 1888 اصطلاح “luminescenz” توسط فیزیکدان بزرگ آلمانی و مورخ علم، ایلهارت وایدمن68، استفاده شد، تا همه پدیده‌های نوری که صرفاً مشروط به افزایش دما نمی‌باشند را توصیف نماید. در حقیقت یک نمونه برای نشر لومینسانس نیاز به گرم شدن ندارد و به همین خاطر به نور گسیلی در این پدیده نور سرد نیز گفته می‌شود [21].
افزایش دانش پیرامون لومینسانس تقریبا از سال‌های 1950، که پدیده‌های فلورسانس و فسفرسانس مطرح شده‌اند، شروع شده و تا به امروز ادامه دارد [17] و در این زمینه فعالیت‌های زیادی صورت گرفته که در این جستار مجال بیان همه این مطالب وجود ندارد، لذا این نوشتار معطوف به کارهای صورت گرفته در دهه اخیر شده است.
مطالعات انجام شده پیرامون پدیده لومینسانس به روش‌های مختلفی صورت گرفته که این روش‌ها با توجه به نحوه ایجاد لومینسانس و منابع تحریک اولیه نمونه تقسیم بندی شده‌اند. این تقسیم بندی‌ها که قبلاً ذکر شدند، شامل فرایندهای لومینسانس یونی، بیولومینسانس، لومینسانس شیمیایی، لومینسانس کاتدی و … می‌باشد. در این پایان نامه به کارهای صورت گرفته در زمینه لومینسانس با روش لومینسانس یونی پرداخته شده است. برخی افراد به بررسی میکروسکوپی لومینسانس یونی نمونه‌ها و برخی دیگر به بررسی نمونه‌ها با استفاده از نتایج حاصل از آن پرداختند.
در سال 1994 جامیسون69 و همکارانش به مشخصه‌یابی الماس و دیگر کریستال‌ها با استفاده از آنالیز لومینسانس ناشی از باریکه یونی در این نمونه‌ها پرداختند. ایشان دریافتند که این تکنیک اطلاعات ارزشمندی پیرامون خواص شیمیایی اتم‌ها در بلور‌ها در تکمیل اطلاعات حاصل از روش‌های سنتی آنالیز با باریکه یونی همچون پیکسی و پس‌پراکندگی رادرفورد را فراهم می‌کند. همچنین مشخص شد که عمق نفوذ حاصل از این روش در مقایسه با عمق نفوذ الکترون‌های مورد استفاده در روش لومینسانس کاتدی اطلاعات مفیدی را به دست می‌دهد. در حقیقت ایشان به دنبال تصویرسازی فضایی با استفاده از پاسخ لومینسانس در کنار پاسخ‌‌های پیکسی و پس‌پراکندگی رادرفورد بوده‌اند. در این کار تحقیقاتی جامیسون و همکارانش رشد همبافته الماس را مورد مطالعه قرار داده و در هنگام رشد، متوجه تغییرات قابل توجهی در مشخصات لومینسانس آبی رنگ الماس به سمت سبز
