.png/1280px-Diamond_(side_view).png)
Катодолюминесценция – это оптическое и электромагнитное явление , при котором электроны, воздействуя на люминесцентный материал, такой как люминофор , вызывают излучение фотонов , длина волн которых может находиться в видимом спектре . Знакомый пример — генерация света электронным лучом, сканирующим люминофорную внутреннюю поверхность экрана телевизора , в котором используется электронно-лучевая трубка . Катодолюминесценция — это обратная реакция фотоэлектрического эффекта , при котором эмиссия электронов индуцируется облучением фотонами.
Люминесценция в полупроводнике возникает, когда электрон в зоне проводимости рекомбинирует с дыркой в валентной зоне. Разностная энергия (запрещенная зона) этого перехода может излучаться в виде фотона . Энергия (цвет) фотона и вероятность того, что будет испущен именно фотон, а не фонон , зависят от материала, его чистоты и наличия дефектов. Во-первых, электрон должен быть возбужден из валентной зоны в зону проводимости . В катодолюминесценции это происходит в результате попадания пучка электронов высокой энергии на полупроводник . Однако эти первичные электроны несут слишком много энергии, чтобы непосредственно возбуждать электроны. Вместо этого неупругое рассеяние первичных электронов в кристалле приводит к испусканию вторичных электронов , оже-электронов и рентгеновских лучей , которые, в свою очередь, также могут рассеиваться. Такой каскад событий рассеяния приводит к появлению до 10 3 вторичных электронов на один падающий электрон. [1] Эти вторичные электроны могут возбуждать валентные электроны в зону проводимости, если их кинетическая энергия примерно в три раза превышает энергию запрещенной зоны материала . [2] Оттуда электрон рекомбинирует с дыркой в валентной зоне и создает фотон. Избыточная энергия передается фононам и тем самым нагревает решетку. Одним из преимуществ возбуждения электронным пучком является то, что энергия запрещенной зоны исследуемых материалов не ограничивается энергией падающего света, как в случае фотолюминесценции . Поэтому в катодолюминесценции исследуемым «полупроводником» может быть практически любой неметаллический материал. С точки зрения зонной структуры классические полупроводники, изоляторы, керамику, драгоценные камни, минералы и стекла можно рассматривать одинаково.
В геологии , минералогии , материаловедении и полупроводниковой технике сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) , оснащенный катодолюминесцентным детектором, или оптический катодолюминесцентный микроскоп могут использоваться для исследования внутренней структуры полупроводников, горных пород, керамики , стекла и т. д. получить информацию о составе, росте и качестве материала.
Катодолюминесцентный ( КЛ ) микроскоп сочетает в себе обычный (светооптический) микроскоп с электронно-лучевой трубкой . Он предназначен для изображения люминесцентных характеристик полированных срезов твердых тел, облученных электронным лучом .
С помощью катодолюминесцентного микроскопа можно сделать видимыми структуры внутри кристаллов или тканей, которые невозможно увидеть при нормальном освещении. Так, например, можно получить ценную информацию о росте минералов. КЛ-микроскопия применяется в геологии , минералогии и материаловедении для исследования горных пород , минералов , вулканического пепла , стекла , керамики , бетона , летучей золы и т. д.
Цвет и интенсивность ХЛ зависят от характеристик образца и условий работы электронной пушки . Здесь основное значение имеют ускоряющее напряжение и ток электронного пучка . Сегодня используются два типа КЛ-микроскопов. Один работает с « холодным катодом », генерируя электронный луч с помощью трубки коронного разряда , другой создает луч, используя « горячий катод ». КЛ-микроскопы с холодным катодом — самый простой и экономичный тип. В отличие от других методов электронной бомбардировки, таких как электронная микроскопия , холодная катодолюминесцентная микроскопия обеспечивает получение положительных ионов вместе с электронами, которые нейтрализуют накопление поверхностного заряда и устраняют необходимость нанесения на образцы проводящих покрытий. Тип «горячий катод» генерирует электронный луч с помощью электронной пушки с вольфрамовой нитью. Преимуществом горячего катода является точно контролируемая высокая интенсивность луча, позволяющая стимулировать излучение света даже на слаболюминесцирующих материалах (например, кварце – см. рисунок). Чтобы предотвратить зарядку образца, поверхность необходимо покрыть проводящим слоем золота или углерода . Обычно это делается с помощью устройства для напыления или устройства для нанесения углеродного покрытия.
В сканирующих электронных микроскопах сфокусированный луч электронов падает на образец и заставляет его излучать свет, который собирается оптической системой, например эллиптическим зеркалом. Оттуда оптоволокно будет передавать свет из микроскопа, где он разделяется на составляющие длины волны с помощью монохроматора, а затем детектируется с помощью фотоумножителя . Сканируя луч микроскопа по схеме XY и измеряя свет, излучаемый лучом в каждой точке, можно получить карту оптической активности образца (катодолюминесцентное изображение). Вместо этого, измеряя зависимость от длины волны для фиксированной точки или определенной области, можно записать спектральные характеристики (катодолюминесцентная спектроскопия). Более того, если фотоумножитель заменить ПЗС-камерой , в каждой точке карты можно измерить весь спектр ( гиперспектральное изображение ). Более того, оптические свойства объекта можно соотнести со структурными свойствами, наблюдаемыми с помощью электронного микроскопа.
Основным преимуществом метода, основанного на электронном микроскопе, является его пространственное разрешение. В сканирующем электронном микроскопе достижимое разрешение составляет порядка нескольких десятков нанометров, [3] тогда как в (сканирующем) просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) можно разрешить детали нанометрового размера. [4] Кроме того, можно выполнять измерения с временным разрешением на уровне наносекунд и пикосекунд, если электронный луч может быть «разрезан» на нано- или пикосекундные импульсы с помощью подавителя луча или с помощью импульсного источника электронов. Эти передовые методы полезны для исследования низкоразмерных полупроводниковых структур, таких как квантовые ямы или квантовые точки .
В то время как электронный микроскоп с катодолюминесцентным детектором обеспечивает высокое увеличение, преимущества оптического катодолюминесцентного микроскопа заключаются в его способности показывать реальные видимые цветовые характеристики непосредственно через окуляр. Недавно разработанные системы пытаются объединить оптический и электронный микроскоп, чтобы воспользоваться преимуществами обоих этих методов. [5]
Хотя полупроводники с прямой запрещенной зоной , такие как GaAs или GaN , легче всего исследовать с помощью этих методов, полупроводники с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний , также излучают слабую катодолюминесценцию и также могут быть исследованы. В частности, люминесценция дислоцированного кремния отличается от люминесценции собственного кремния и может использоваться для картирования дефектов в интегральных схемах .
В последнее время катодолюминесценция, проводимая в электронных микроскопах, также используется для изучения поверхностных плазмонных резонансов в металлических наночастицах . [6] Поверхностные плазмоны в металлических наночастицах могут поглощать и излучать свет, хотя этот процесс отличается от процесса в полупроводниках. Точно так же катодолюминесценция использовалась в качестве зонда для картирования локальной плотности состояний плоских диэлектрических фотонных кристаллов и наноструктурированных фотонных материалов. [7]
