.png/1280px-Diamond_(side_view).png)
Катодолюминесценция — оптическое и электромагнитное явление , при котором электроны, воздействующие на люминесцентный материал, такой как фосфор , вызывают испускание фотонов , которые могут иметь длины волн в видимом спектре . Известным примером является генерация света электронным лучом, сканирующим покрытую фосфором внутреннюю поверхность экрана телевизора , использующего электронно-лучевую трубку . Катодолюминесценция — это явление, обратное фотоэлектрическому эффекту , при котором испускание электронов вызывается облучением фотонами.
Люминесценция в полупроводнике возникает, когда электрон в зоне проводимости рекомбинирует с дыркой в валентной зоне. Разность энергий (ширина запрещенной зоны) этого перехода может быть испущена в виде фотона . Энергия (цвет) фотона и вероятность того, что будет испущен 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 падения на полупроводник электронного пучка высокой энергии . Однако эти первичные электроны несут слишком много энергии, чтобы напрямую возбудить 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, когда они имеют кинетическую энергию, примерно в три раза превышающую энергию запрещенной зоны материала . [2] Оттуда электрон рекомбинирует с дыркой в валентной зоне и создает фотон. Избыточная энергия передается фононам и, таким образом, 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 фактически практически любой неметаллический материал. С точки зрения зонной структуры классические полупроводники, изоляторы, керамика, 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 может использоваться для исследования внутренней структуры полупроводников, горных пород, керамики , стекла и т. д. с целью получения информации о составе, росте и качестве материала.
Катодолюминесцентный ( КЛ ) микроскоп объединяет обычный (световой оптический) микроскоп с электронно-лучевой трубкой . Он предназначен для получения изображений люминесцентных характеристик полированных тонких срезов твердых тел, облученных электронным пучком .
Используя катодолюминесцентный микроскоп, можно сделать видимыми структуры внутри кристаллов или тканей, которые не видны при обычном освещении. Таким образом, например, можно получить ценную информацию о росте минералов. CL-микроскопия используется в геологии , минералогии и материаловедении для исследования горных пород , минералов , вулканического пепла , стекла , керамики , бетона , летучей золы и т. д.
Цвет и интенсивность CL зависят от характеристик образца и условий работы электронной пушки . Здесь основное значение имеют ускоряющее напряжение и ток пучка электронов . Сегодня используются два типа CL-микроскопов. Один работает с « холодным катодом », генерируя электронный пучок с помощью коронной разрядной трубки, другой создает пучок с помощью « горячего катода ». CL-микроскопы с холодным катодом являются наиболее простыми и экономичными. 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 проводящих покрытий на образцы. Тип «горячего катода» генерирует электронный пучок с помощью электронной пушки с вольфрамовой нитью накаливания. Преимуществом горячего катода является точно контролируемая высокая интенсивность пучка, позволяющая стимулировать излучение света даже на слабо люминесцирующих материалах (например, кварце – см. рисунок). Для предотвращения зарядки образца поверхность должна быть покрыта проводящим слоем золота или углерода . Обычно это делается с помощью устройства для напыления или углеродного покрытия.
В сканирующих электронных микроскопах сфокусированный пучок электронов падает на образец и заставляет его излучать свет, который собирается оптической системой, например, эллиптическим зеркалом. Оттуда оптоволоконный кабель переносит свет из микроскопа, где он разделяется на составляющие длины волн монохроматором , а затем детектируется фотоэлектронным умножителем . Сканируя луч микроскопа по схеме XY и измеряя свет, излучаемый лучом в каждой точке, можно получить карту оптической активности образца (катодолюминесцентная визуализация). Вместо этого, измеряя зависимость длины волны для фиксированной точки или определенной области, можно записать спектральные характеристики (катодолюминесцентная спектроскопия). Кроме того, если фотоэлектронный умножитель заменить на ПЗС-камеру , можно измерить весь спектр в каждой точке карты ( гиперспектральная визуализация ). 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] в то время как в (сканирующем) просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) могут быть разрешены нанометровые детали. [4] Кроме того, можно выполнять измерения с временным разрешением на уровне наносекунд и пикосекунд, если электронный луч может быть «измельчен» на нано- или пикосекундные импульсы с помощью гасителя пучка 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, оптический катодолюминесцентный микроскоп выигрывает от своей способности показывать фактические видимые цветовые особенности непосредственно через окуляр. Более недавно разработанные системы пытаются объединить как оптический, так и электронный микроскоп, чтобы использовать преимущества обеих этих технологий. [5]
Хотя полупроводники с прямой запрещенной зоной, такие как GaAs или GaN, легче всего исследовать с помощью этих методов, непрямые полупроводники, такие как кремний, также излучают слабую катодолюминесценцию и также могут быть исследованы. В частности, люминесценция дислоцированного кремния отличается от 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. Аналогично катодолюминесценция использовалась в качестве зонда для картирования локальной плотности состояний планарных диэлектрических фотонных кристаллов и наноструктурированных фотонных материалов. [7]
