Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Катодолюминесценция - это оптическое и электромагнитное явление, при котором электроны, воздействуя на люминесцентный материал, такой как люминофор , вызывают излучение фотонов, которые могут иметь длину волны в видимом спектре . Знакомый пример - генерация света электронным лучом, сканирующим внутреннюю поверхность экрана, покрытого люминофором, телевизора, в котором используется электронно-лучевая трубка . Катодолюминесценция - это обратный эффект фотоэлектрического эффекта , при котором электронная эмиссия вызывается облучением фотонами.

Набросок системы катодолюминесценции: электронный луч проходит через маленькое отверстие в параболическом зеркале, которое собирает свет и отражает его в спектрометр . Устройство с зарядовой связью (ПЗС) или фотоумножитель (ФЭУ) можно использовать для параллельного или монохроматического детектирования соответственно. Электронный пучок-индуцированный ток сигнал (ЕБИК) может быть записан одновременно.

Происхождение [ править ]

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 испускания фотона, а не фонона , зависят от материала, его чистоты и наличия дефектов. Во-первых, электрон должен быть возбужден из валентной зоны в зону проводимости . При катодолюминесценции это происходит в результате падения пучка электронов высокой энергии на полупроводник.. Однако эти первичные электроны несут слишком много энергии, чтобы напрямую 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 образованию 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 ширину запрещенной зоны материала . [2]Оттуда электрон рекомбинирует с дыркой в ​​валентной зоне и создает фотон. Избыточная энергия передается фононам и нагревает решетку. Одно из преимуществ возбуждения электронным пучком состоит в том, что ширина запрещенной зоны исследуемых материалов не ограничивается энергией падающего света, как в случае фотолюминесценции . Следовательно, при катодолюминесценции исследуемый «полупроводник» может фактически быть практически любым неметаллическим материалом. Что касается зонной структуры , то с классическими полупроводниками, изоляторами, керамикой, драгоценными камнями, минералами и стеклом можно обращаться одинаково.

Микроскопия [ править ]

В геологии , минералогии , материаловедении и полупроводниковой технике сканирующий электронный микроскоп, оснащенный детектором катодолюминесценции, или оптический катодолюминесцентный микроскоп , могут использоваться для исследования внутренней структуры полупроводников, горных пород, керамики , стекла и т. Д. С целью получения информации. от состава, роста и качества материала.

В сканирующем электронном микроскопе [ править ]

Наложение цветной катодолюминесценции на СЭМ- изображение поликристалла InGaN . Синий и зеленый каналы представляют реальные цвета, красный канал соответствует УФ-излучению.
Цветная катодолюминесценция алмаза в СЭМ , реальные цвета

В этих приборах сфокусированный пучок электронов падает на образец и заставляет его излучать свет, который собирается оптической системой, такой как эллиптическое зеркало. Оттуда оптоволокно будет передавать свет из микроскопа, где он разделяется на составляющие длины волн с помощью монохроматора и затем обнаруживается фотоумножителем.трубка. Сканируя луч микроскопа по схеме XY и измеряя свет, излучаемый лучом в каждой точке, можно получить карту оптической активности образца (изображение катодолюминесценции). Вместо этого, измеряя зависимость от длины волны для фиксированной точки или определенной области, можно регистрировать спектральные характеристики (спектроскопия катодолюминесценции). Кроме того, если фотоумножитель заменить камерой CCD , весь спектр может быть измерен в каждой точке карты ( гиперспектральное изображение ). Кроме 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 могут быть разрешены детали нанометрового размера. [4] Кроме того, можно выполнять измерения с временным разрешением на уровне от наносекунд до пикосекунд, если электронный луч может быть «разрезан» на нано- или пикосекундные импульсы с помощью глушителя 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 большое увеличение, оптический катодолюминесцентный микроскоп извлекает выгоду из своей способности отображать фактические видимые цветовые особенности непосредственно через окуляр. Недавно разработанные системы пытаются объединить оптический и электронный микроскоп, чтобы воспользоваться преимуществами обоих этих методов. [5]

Расширенные приложения [ править ]

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 их также можно исследовать. В частности, люминесценция дислокационного кремния отличается от люминесценции собственного кремния и может использоваться для картирования дефектов в интегральных схемах .

В последнее время катодолюминесценция, выполняемая 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 полупроводников. Точно так же катодолюминесценция использовалась в качестве зонда для картирования локальной плотности состояний планарных диэлектрических фотонных кристаллов и наноструктурированных фотонных материалов. [7]

См. Также [ править ]

  • Катодолюминесцентный микроскоп
  • Электронно-стимулированная люминесценция
  • Люминесценция
  • Фотолюминесценция
  • Сканирующая электронная микроскопия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мицуи, Т; Сэкигучи, Т; Fujita, D; Когучи, Н. (2005). «Сравнение электронного пучка и ближнепольного света при возбуждении люминесценции полупроводниковых квантовых точек GaAs / AlGaAs». Jpn. J. Appl. Phys . 44 (4A): 1820–1824. Bibcode : 2005JaJAP..44.1820M . DOI : 10,1143 / JJAP.44.1820 . S2CID  56031946 .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  2. Перейти ↑ Klein, CA (1968). «Зависимость запрещенной зоны и связанные с ней особенности энергий ионизации излучения в полупроводниках». J. Appl. Phys . 39 (4): 2029–2038. Bibcode : 1968JAP .... 39.2029K . DOI : 10.1063 / 1.1656484 .
  3. ^ Lähnemann, J .; Hauswald, C .; Wölz, M .; Jahn, U .; Hanke, M .; Geelhaar, L .; Брандт, О. (2014). «Локализация и дефекты в осевых гетероструктурах на основе нанопроволок (In, Ga) N / GaN, исследованные методом люминесцентной спектроскопии с пространственным разрешением». J. Phys. D: Прил. Phys . 47 (39): 394010. arXiv : 1405.1507 . Bibcode : 2014JPhD ... 47M4010L . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 47/39/394010 .
  4. ^ Загонель; и другие. (2011). "Спектральное изображение квантовых излучателей в нанопроволоках в нанометровом масштабе и его корреляция с их атомно-разрешенной структурой". Нано-буквы . 11 (2): 568–73. arXiv : 1209.0953 . Bibcode : 2011NanoL..11..568Z . DOI : 10.1021 / nl103549t . PMID 21182283 . 
  5. ^ "Что такое количественная катодолюминесценция?" . 2013-10-21. Архивировано из оригинала на 2016-10-29 . Проверено 21 октября 2013 .
  6. ^ Гарсия де Абахо, FJ (2010). «Оптические возбуждения в электронной микроскопии» (PDF) . Обзоры современной физики . 82 (1): 209–275. arXiv : 0903.1669 . Bibcode : 2010RvMP ... 82..209G . DOI : 10.1103 / RevModPhys.82.209 . hdl : 10261/79235 .
  7. ^ Сапиенца, Р.; Коенен, Р.; Renger, J .; Kuttge, M .; ван Хюльст, штат Нью-Йорк; Полман, А (2012). «Глубокое субволновое отображение модальной дисперсии света». Материалы природы . 11 (9): 781–787. Bibcode : 2012NatMa..11..781S . DOI : 10.1038 / nmat3402 . PMID 22902895 . S2CID 31259521 .  CS1 maint: uses authors parameter (link)

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Коенен, Т. (2014). Катодолюминесцентная наноскопия с угловым разрешением (Диссертация). Амстердамский университет. HDL : 11245 / 1,417564 .
  • Электронные лучи заставляют сиять наноструктуры [PDF] , ES Reich, Nature 493, 143 (2013)
  • Лэнеманн, Дж. (2013). Люминесценция нанопроволок III-V групп, содержащих гетероструктуры (pdf) (кандидатская диссертация). Humboldt-Universität zu Berlin.
  • Куттге, М. (2009). Катодолюминесцентная плазмонная микроскопия (pdf) (Диссертация). Утрехтский университет.
  • Сканирующая катодолюминесцентная микроскопия , CM Parish и PE Russell, in Advances in Imaging and Electronic Physics, V.147, ed. П. У. Хоукс, стр. 1 (2007)
  • Краткий анализ катодолюминесценции и их влияние на интерпретацию карбонатных коллекторов. Пример среднеюрских оолитовых коллекторов в Парижском бассейне , Б. Гранье и К. Стаффельбах (2009)
  • Катодолюминесцентная микроскопия неорганических твердых тел, Б. Г. Якоби и Д. Б. Холт, Нью-Йорк, Спрингер (1990)

Внешние ссылки [ править ]

  • Научные результаты по катодолюминесценции с высоким пространственным разрешением
  • Attolight, компания, предлагающая коммерческие системы катодолюминесценции
  • DELMIC, компания, предлагающая коммерческие системы катодолюминесценции
  • Gatan, компания, предлагающая коммерческие системы катодолюминесценции для SEM и TEM
  • HORIBA Scientific, компания, предлагающая коммерческие системы катодолюминесценции