172 nm excimer لیمپ کے ساتھ آئن چڑھانا میں Ionization-متعلقہ عمل
3.3.3 الیکٹران-گیس کے تصادم آئنائزیشن کا باعث بنتے ہیں۔
(1) آئنائزیشن کا عمل
جب ایک الیکٹران کسی گیس سے ٹکراتا ہے تو، ایک غیر جانبدار ایٹم A کی سب سے کم توانائی کی سطح میں ایک الیکٹران واقعہ الیکٹران سے توانائی جذب کرتا ہے، جوہری رکاوٹ سے بچ جاتا ہے، اور ایٹم کو چھوڑ دیتا ہے۔ ایٹم ایک مثبت آئن A⁺ بن جاتا ہے جس میں ایک الیکٹران غائب ہوتا ہے، اور خارج ہونے والی جگہ میں ایک اضافی الیکٹران پیدا ہوتا ہے۔ اس عمل کو ionization کہا جاتا ہے۔ آئنائزیشن کے عمل کو اس طرح ظاہر کیا جاتا ہے: A + e⁻ → A⁺ + 2e⁻
آئنائزیشن کے دوران جذب ہونے والی توانائی کو آئنائزیشن انرجی کہا جاتا ہے، اور ایٹم کو اس آئنائزیشن توانائی فراہم کرنے کے لیے درکار پوٹینشل کو آئنائزیشن پوٹینشل کہا جاتا ہے، جسے U_I کہا جاتا ہے۔ جدول 3-3 میں کچھ عناصر کے لیے آئنائزیشن پوٹینشل U_I کی فہرست دی گئی ہے۔ اس قسم کے آئنائزیشن کے عمل کو غیر لچکدار تصادم کی پہلی قسم کہا جاتا ہے [3–7]۔
ایٹم سے ایک الیکٹران کو آئنائز کرنے کے عمل کو پرائمری آئنائزیشن کہا جاتا ہے۔ دو الیکٹران کو کھونا ثانوی آئنائزیشن ہے۔ تین کو کھونا ترتیری آئنائزیشن ہے۔ اگر الیکٹران ایک ایک کرکے آئنائز ہوتے ہیں، تو اسے لگاتار آئنائزیشن کہا جاتا ہے۔ اگر دو یا دو سے زیادہ الیکٹران ایک ساتھ آئنائز ہو جائیں تو اسے متعدد آئنائزیشن کہا جاتا ہے، اور اس کے نتیجے میں آنے والے آئن کو ملٹی پلائی چارجڈ آئن کہا جاتا ہے۔ مؤخر الذکر عمل شاذ و نادر ہی ہوتا ہے۔
جدید آئن پلیٹنگ ٹیکنالوجی میں، 172 nm excimer لیمپ کے ذریعہ تیار کردہ ویکیوم الٹرا وائلٹ (VUV) لائٹ آئنائزیشن کے عمل کے لیے اضافی توانائی کی حوصلہ افزائی فراہم کر کے آئنائزیشن کی کارکردگی کو بڑھانے میں مدد کر سکتی ہے۔
(2) تفریق Ionization Coefficient
اگرچہ الیکٹران کی توانائی آئنائزیشن کی صلاحیت یا حوصلہ افزائی کی صلاحیت سے زیادہ ہے، ہر تصادم کے نتیجے میں آئنائزیشن یا حوصلہ افزائی نہیں ہوتی ہے۔ وہ تناسب جو ionization یا excitation کا باعث بنتا ہے اسے بالترتیب ionization کا امکان یا excitation probability کہا جاتا ہے۔
آئنائزیشن کے امکان کی شدت الیکٹران کی توانائی پر منحصر ہے۔ 133.3 Pa اور 0 ڈگری کے دباؤ پر گیس میں 1 سینٹی میٹر سفر کرنے والے الیکٹران کے ذریعہ تیار کردہ آئنوں کی تعداد کو تفریق آئنائزیشن گتانک کے طور پر بیان کیا جاتا ہے، جسے S_e کہا جاتا ہے۔ اسی طرح، ایک تفریق اتیجیت گتانک ہے۔
شکل 3-4 کئی گیسوں کے لیے تفریق آئنائزیشن گتانک S_e اور الیکٹران انرجی ε کے درمیان تعلق کے منحنی خطوط کو ظاہر کرتا ہے [3]۔ جیسا کہ شکل 3-4 میں دکھایا گیا ہے، مختلف گیسوں کے منحنی خطوط عام طور پر زیادہ سے زیادہ ظاہر ہوتے ہیں، جس کی چوٹی 50-100 eV رینج میں ظاہر ہوتی ہے۔ (شکل 3-4: گیسوں کے لیے تفریق آئنائزیشن گتانک S_e اور الیکٹران انرجی ε کے درمیان تعلق کے منحنی خطوط۔ عمودی محور "Differential Ionization Coefficient (آئنز)" ہے، افقی محور الیکٹران توانائی ہے، اور منحنی خطوط میں Hg, Ar, Ne, He, H₂ شامل ہیں۔)
جب الیکٹران کی توانائی بہت زیادہ ہوتی ہے تو اس کے بجائے گیس آئنائزیشن کی ڈگری کم ہوجاتی ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ واقعہ الیکٹران اور گیس ایٹم کے درمیان رابطے کے دوران، آئنائزیشن پیدا کرنے کے لیے جوہری نیوکلئس کی رکاوٹ سے سب سے باہر کے الیکٹران کو الگ کرنے کے لیے ایک خاص توانائی کے تبادلے کا وقت درکار ہوتا ہے۔ اگر الیکٹران کی توانائی بہت زیادہ ہے اور اس کی رفتار بہت تیز ہے، تو الیکٹران اور ایٹم کے درمیان تعامل کا وقت بہت کم ہے، توانائی کے تبادلے کے لیے ناکافی ہے، جس کے نتیجے میں کم تفریق آئنائزیشن گتانک پیدا ہوتا ہے۔
گلو ڈسچارج میں وولٹیج 1000 V سے اوپر ہے، جب کہ آرک ڈسچارج میں یہ 20-70 V ہے۔ آرک ڈسچارج میں ڈیفرینشل آئنائزیشن گتانک گلو ڈسچارج سے زیادہ ہے۔ لہذا، آرک ڈسچارج میں گیس آئنوں اور دھاتی آئنوں کی کثافت گلو ڈسچارج کے مقابلے میں کئی گنا زیادہ ہے۔ 172 nm excimer لیمپ سے شعاع ریزی کی مدد سے، گلو ڈسچارج میں کم آئنائزیشن کی شرح کو جزوی طور پر معاوضہ دیا جا سکتا ہے۔
(3) آئنائزیشن کی شرح
آئنائزیشن کی شرح گیس کے اخراج کے بعد پیدا ہونے والے آئنوں کی تعداد کا تناسب ہے جو کہ ایٹموں کی کل تعداد ہے، جسے [3–6,8] کے طور پر ظاہر کیا جاتا ہے، اس فارمولے کے ساتھ:=(n_i) / (n_i + n_a)=n_i / n_o
جہاں: n_i - آئنوں کی تعداد؛ n_a - غیر جانبدار ایٹموں کی تعداد؛ n_o - بھاری ذرات کی کل تعداد۔
کوٹنگ کے عمل میں، اگر n_i دھاتی آئنوں کی تعداد اور n_o دھاتی آئنوں اور غیر جانبدار ایٹموں کی کل تعداد کی نمائندگی کرتا ہے، تو دھاتی آئنائزیشن کی شرح ہے۔
3.3.4 غیر لچکدار تصادم کی دوسری قسم
دوسرے عوامل کی وجہ سے جوش و خروش اور آئنائزیشن کو غیر لچکدار ٹکراؤ کی دوسری قسم کہا جاتا ہے [3–12]۔
مثبت آئنوں کی وجہ سے چارج کی منتقلی کا عمل جب ایک مثبت آئن گیس کے ایٹم سے ٹکراتا ہے، اسی طرح کے بڑے پیمانے پر گیس کے ایٹم کو آئنائز کرنے میں اپنی نصف توانائی کا حصہ ڈالنے کے لیے مثبت آئن کو بہت زیادہ توانائی کی ضرورت ہوتی ہے۔ تاہم، گیس کے اخراج میں، مثبت آئنوں کا صرف ایک چھوٹا سا حصہ اتنی زیادہ توانائیوں تک پہنچتا ہے، اس لیے مثبت آئنوں کی وجہ سے آئنائزیشن کا امکان بہت کم ہے۔
تاہم، مثبت آئنوں اور ایٹموں کے درمیان چارج کی منتقلی کا عمل نسبتاً آسان ہے: جب ایک اعلی-انرجی آئن کم-انرجی نیوٹرل ایٹم سے ٹکراتا ہے، تو توانائی کے تبادلے کے بغیر صرف چارج کا تبادلہ ہوتا ہے، جس کے نتیجے میں ایک اعلی-انرجی نیوٹرل ایٹم اور کم-انرجی آئن ہوتا ہے۔ اس عمل کو چارج ٹرانسفر کہا جاتا ہے، جس کا اظہار اس طرح کیا جاتا ہے: A⁺ + B (ε↓) → A + B⁺ (ε↓)
چارج کی منتقلی کا عمل غیر لچکدار تصادم سے زیادہ کثرت سے ہوتا ہے اور یہ خارج ہونے والی جگہ میں آئنوں اور اعلی-توانائی کے غیر جانبدار ایٹموں کے اہم ذرائع میں سے ایک ہے۔ کم-توانائی کے آئن برقی میدان کے نیچے تیز ہوتے رہتے ہیں اور دوبارہ اعلی-توانائی کے آئن بن سکتے ہیں۔
میٹاسٹیبل ایٹموں کی وجہ سے مجموعی آئنائزیشن میٹاسٹیبل ایٹم طویل عرصے تک زندہ رہنے والے پرجوش ایٹم ہوتے ہیں جن کو مزید پرجوش یا آئنائز کرنے کے لیے صرف تھوڑی اضافی توانائی کی ضرورت ہوتی ہے۔ ان کا کردار لگاتار ٹرانزیشن اور مجموعی یکے بعد دیگرے آئنائزیشن کے امکان کو بڑھاتا ہے۔
مثال کے طور پر، پارے کی آئنائزیشن کی صلاحیت 10.434 V ہے۔ 4.66 eV انرجی کے ساتھ ایک مرکری میٹاسٹیبل ایٹم کو پارے کے ایٹم کو آئنائز کرنے کے لیے صرف 5.774 eV توانائی والے الیکٹران سے ٹکرانے کی ضرورت ہے۔ اس طرح، میٹاسٹیبل ایٹموں کی موجودگی گیس کے آئنائزیشن کی صلاحیت کو مؤثر طریقے سے کم کرتی ہے، جس سے آئنائزیشن کے امکانات میں اضافہ ہوتا ہے اور آئنائزیشن کی شرح کو بہتر بنانے میں اہم کردار ادا ہوتا ہے۔ 172 nm excimer لیمپ سے خارج ہونے والی فوٹوون توانائی میٹاسٹیبل ایٹموں کی تشکیل میں مدد کر سکتی ہے، جس سے مجموعی آئنائزیشن کے عمل کو مزید فروغ ملتا ہے۔
میٹاسٹیبل ایٹموں سے الیکٹران میں توانائی کی منتقلی اس الٹ جوش کے عمل کو اس طرح ظاہر کیا جاتا ہے: A_m + e⁻ → A + e⁻ (ε↑)
پرجوش میٹاسٹیبل ایٹم A_m اور گراؤنڈ کے درمیان توانائی کی منتقلی{1}}اسٹیٹ ایٹم یہ زمینی-اسٹیٹ ایٹم کو پرجوش بناتا ہے جب کہ میٹاسٹیبل ایٹم زمینی حالت میں واپس آجاتا ہے، جس کا اظہار اس طرح ہوتا ہے: A_m + B → A + B_m
قلم کا اثر جب ایک گیس آئن A⁺ یا میٹاسٹیبل ایٹم A_m ایک مختلف قسم کے ایٹم B سے ٹکراتا ہے، اگر A کی آئنائزیشن یا حوصلہ افزائی کی صلاحیت B سے زیادہ ہے، تو تصادم کے نتیجے میں B کے آئنائزیشن اور A کی زمینی حالت میں de- جوش پیدا ہوتا ہے۔ اس عمل کو قلمی اثر کہا جاتا ہے، جس کا اظہار اس طرح ہوتا ہے: A⁺ + B → A + B⁺ + e⁻ A_m + B → A + B⁺ + e⁻
گیسوں کی آئنائزیشن اور حوصلہ افزائی کی صلاحیت دھاتوں کی نسبت بہت زیادہ ہے، جس سے ان کے درمیان پیننگ اثرات کا امکان بہت زیادہ ہوتا ہے اور زیادہ دھاتی آئن پیدا ہوتے ہیں۔ پلازما پولیمرائزیشن میں Penning اثر خاص طور پر نمایاں ہے، اور 172 nm excimer لیمپ گیس کی حوصلہ افزائی کی ڈگری کو بڑھا سکتا ہے، Penning اثر کے امکان کو بڑھاتا ہے۔
پرجوش میٹاسٹیبل ایٹم A_m کا کمپاؤنڈ گیس مالیکیول BC کے ساتھ تعامل فعال گروپوں کو زمینی-ریاست کے ایٹموں میں آئنائز کیا جاتا ہے، جس کا اظہار اس طرح کیا جاتا ہے: A_m + BC → A + B + C A_m + BC → A + B⁺ + C + e⁻
مندرجہ بالا رد عمل سے، یہ ظاہر ہوتا ہے کہ ہائی-توانائی والے الیکٹران ہائی-توانائی پرجوش ایٹم اور آئن پیدا کرنے کے لیے گیس کے ساتھ غیر لچکدار تصادم سے گزرتے ہیں، یہ اعلی-توانائی کے ذرات مزید پیچیدہ سیکنڈ-قسم کے غیر لچکدار تصادم میں کم- دھاتی گیس کے ایٹموں کے ساتھ ٹکرا جاتے ہیں۔ اس کے نتیجے میں خارج ہونے والی جگہ میں مختلف توانائی کی سطحوں پر آئنوں اور ایٹموں کی ایک بڑی تعداد پیدا ہوتی ہے، جس میں متعارف کرائے گئے گیس کے ایٹموں یا تازہ بخارات بننے والے دھاتی ایٹموں سے کہیں زیادہ توانائیاں ہوتی ہیں۔ مخصوص ویکیوم الٹرا وائلٹ ذرائع جیسے کہ 172 nm excimer لیمپ پر مشتمل ایپلی کیشنز میں، یہ تعاملات مرکب گیسوں کی انحطاط کی کارکردگی کو مزید بڑھا سکتے ہیں۔
گلو ڈسچارج میں کم آئنائزیشن کی شرح کی وجہ سے (عام طور پر 1%–3%)، کم آئن پیدا ہوتے ہیں، اور کم-توانائی والے ذرات سے ٹکرانے کے بعد ان کی توانائی کم ہو جاتی ہے، جبکہ کم-توانائی والے ایٹموں کی توانائی بڑھ جاتی ہے۔ اس کے نتیجے میں خارج ہونے والی جگہ میں اعتدال پسند توانائی کے ساتھ فعال ذرات کی ایک بڑی تعداد ہوتی ہے۔ دریں اثنا، الیکٹران کی توانائیاں زیادہ ہیں، جب کہ آئن اور ایٹم کی توانائیاں نسبتاً کم ہیں، جو ایک غیر متوازن پلازما بناتی ہیں۔
تھرمل آئنائزیشن تھرمل اکسیٹیشن اور تھرمل آئنائزیشن جس کی وجہ سے تیز رفتار-ایٹمک تصادم ہوتا ہے تبھی مشاہدہ کیا جا سکتا ہے جب گیس کا درجہ حرارت 3000 K سے اوپر پہنچ جائے۔
فوٹوونائزیشن روشنی کی توانائی کو فوٹوون توانائی hν کے طور پر ظاہر کیا جاتا ہے۔ جب ایک فوٹون ایک ایٹم سے ٹکراتا ہے اور واقعہ فوٹوون کی توانائی hν ایٹم کی آئنائزیشن توانائی eU_I سے زیادہ ہو جاتی ہے تو فوٹوونائزیشن ہوتی ہے: A + hν → A⁺ + e⁻
جب فوٹوون کی توانائی مالیکیولر ایکسائٹیشن انرجی eU_r سے زیادہ ہو جاتی ہے تو فوٹو ایکسائٹیشن ہوتی ہے۔ فوٹوونائزیشن کے لیے محدود طول موج کو λ_o کے طور پر بیان کیا جاتا ہے۔ عام طور پر، نظر آنے والی روشنی براہ راست گیس فوٹوونائزیشن کا سبب نہیں بن سکتی۔ صرف مختصر-طول موج الٹرا وائلٹ لائٹ (جیسے ویکیوم الٹرا وائلٹ لائٹ جو کہ 172 nm excimer لیمپ سے تیار ہوتی ہے)، X-شعاعیں، -شعاعیں، اور لیزر اسے آمادہ کر سکتے ہیں۔ تاہم، photoexcitation کا امکان photoionization کے مقابلے میں بہت زیادہ ہے۔ دھاتی روشنی کی ابتدا اکثر دھاتوں کے ذریعے جذب ہونے والے فوٹونز سے ہوتی ہے، جس میں واپسی کی منتقلی پر توانائی جاری ہوتی ہے: مختلف دھاتیں اور توانائی کی سطح مختلف طول موج کی روشنی خارج کرتی ہے، جس کے نتیجے میں اخراج کے مختلف رنگ ہوتے ہیں۔ 172 nm excimer لیمپ، ایک موثر ویکیوم الٹرا وائلٹ ماخذ کے طور پر، فوٹوونائزیشن-متعلقہ آئن چڑھانے کے عمل میں قابل اطلاق فوائد رکھتا ہے۔
3.3.5 منسلکہ اور لاتعلقی
خارج ہونے والی جگہ میں، وہ عمل جہاں الیکٹران ایٹموں یا مالیکیولز کے ذریعے منفی آئن بنانے کے لیے پکڑے جاتے ہیں اٹیچمنٹ کہلاتا ہے۔ معکوس عمل، جہاں الیکٹران منفی آئنوں سے خارج ہوتے ہیں، اسے لاتعلقی کہتے ہیں۔ ایک غیر جانبدار ایٹم اور اس کے متعلقہ منفی آئن کے درمیان بنیادی توانائی میں فرق کو eV کی اکائیوں میں الیکٹران سے تعلق E_A کے طور پر بیان کیا جاتا ہے۔
منسلک طریقے سے گیس خارج ہونے میں منفی آئنوں کی تشکیل میں شامل ہیں: A + e⁻ → A⁻ + hν (شعاعی اٹیچمنٹ) AB + e⁻ → A⁻ + B (منحرف منسلکہ) AB + e⁻ → AB⁻ + hν (سالماتی منفی آئنوں کی تشکیل) A + B + E⁻ ↑ ↑)
لاتعلقی پلازما میں، لاتعلقی کے طریقہ کار میں شامل ہیں: A⁻ + B → A + B + e⁻ A⁻ + B⁻ → AB + 2e⁻
غیر فعال گیسوں اور دھاتی ایٹموں سے بننے والے منفی آئن انتہائی غیر مستحکم ہوتے ہیں۔ صرف ہالوجن عناصر، بیرونی ترین خول کو بھرنے کے لیے ایک الیکٹران حاصل کرکے، مستحکم منفی آئن بناتے ہیں۔ خارج ہونے والے ماحول میں جس میں 172 nm excimer لیمپ شامل ہوتا ہے، منسلکہ اور لاتعلقی کے عمل کا متحرک توازن فوٹوون توانائی سے متاثر ہوتا ہے، اس طرح خارج ہونے والی جگہ میں منفی آئن کے ارتکاز کو تبدیل کرتا ہے۔
3.3.6 چارج شدہ ذرات کا غائب ہونا - ڈیونائزیشن
کم دباؤ والے گیس کے اخراج سے حاصل ہونے والے پلازما میں، چارج شدہ ذرات کی ایک بڑی تعداد مسلسل آئنائزیشن کے الٹ عمل سے گزرتی ہے: الیکٹران اور آئنز خلا میں یا دیواروں پر دوبارہ اکٹھے ہو جاتے ہیں، یا الیکٹروڈ میں داخل ہو کر غائب ہو جاتے ہیں۔ اس عمل کو ڈیونائزیشن کہتے ہیں۔
الیکٹروڈز پر چارجڈ پارٹیکلز کا غائب ہونا چارجڈ پارٹیکلز برقی فیلڈ کے ذریعے تیز ہوتے ہیں اور الیکٹروڈز کے الیکٹروڈز میں داخل ہوتے ہیں- غائب ہونے کے لیے: الیکٹران اینوڈ میں داخل ہوتے ہیں، آئن کیتھوڈ میں داخل ہوتے ہیں۔
چیمبر کی دیواروں پر چارج شدہ ذرات کا دوبارہ ملاپ متضاد چارجز والے ذرات ارتکاز کے میلان کی وجہ سے پھیل جاتے ہیں اور دیواروں کو گرم کرنے والی اضافی توانائی کے ساتھ چیمبر کی دیواروں پر ٹکرا کر دوبارہ جمع ہو جاتے ہیں۔
خلائی میں چارج شدہ ذرات کا دوبارہ ملاپ مخالف چارجز کے ساتھ خلا میں مختلف شکلوں میں دوبارہ جمع ہوتا ہے، جسے اجتماعی طور پر حجم کا دوبارہ ملاپ کہا جاتا ہے۔ خارج ہونے والی جگہ میں، "ionization - recombination، ionization - deionization" کے عمل کثرت سے ہوتے ہیں۔
آئن-الیکٹران کا دوبارہ ملاپ: A⁺ + e⁻ → A + hν (ریڈی ایٹیو ری کمبینیشن) AB⁺ + e⁻ → A + B (منحرف دوبارہ ملاپ) A⁺ + 2e⁻ → A + e⁻ (تین⁻ e⁻ e⁻ + B + A⁻ A+ → A+B+ recombination) (تین-جسم کا دوبارہ ملاپ)
