Катодолюминесценция

Цветная катодолюминесценция бриллианта в СЭМ , реальные цвета

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.

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

Происхождение

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 фотон, а не фонон испустится , 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 возникновению до 10 ³ вторичных электронов на один падающий электрон. Эти вторичные электроны могут возбуждать валентные электроны в зону проводимости, если их кинетическая энергия примерно в три раза превышает энергию запрещенной зоны материала. $(E_{kin}\approx 3E_{g})$. 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, по сути, практически любой неметаллический материал. С точки зрения зонной структуры классические полупроводники, изоляторы, керамику, драгоценные камни, минералы и стекла можно рассматривать одинаково.

Микроскопия

Тонкий срез кварца из гидротермальной жилы - слева в КЛ и справа в проходящем свете.

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.

микроскоп

КЛ-микроскоп с горячим катодом

Катодолюминесцентный сочетает в ( КЛ ) микроскоп 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 ускоряющее напряжение и ток электронного пучка основное значение имеют . Сегодня используются два типа КЛ-микроскопов. Один работает с « холодным катодом », генерируя электронный луч с помощью трубки коронного разряда , другой — с « горячим катодом ». 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, кварц – 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.

Катодолюминесценция на сканирующем электронном микроскопе

Схема катодолюминесцентной системы: электронный луч проходит через небольшое отверстие в параболическом зеркале, которое собирает свет и отражает его в спектрометр . Устройство с зарядовой связью (ПЗС) или фотоумножитель (ФЭУ) могут использоваться для параллельного или монохроматического обнаружения соответственно. Сигнал тока, индуцированного электронным лучом (EBIC), может быть записан одновременно.

Эскиз катодолюминесцентного объектива, вставленного в колонку СЭМ

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 весь спектр , в каждой точке карты можно измерить ( 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. в то время как в (сканирующем) просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) можно разрешить детали нанометрового размера. Кроме того, можно выполнять измерения с временным разрешением на уровне наносекунд и пикосекунд, если электронный луч можно «разбить» 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.

Расширенные приложения

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 . 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.

См. также

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

Дальнейшее чтение

• Коэнен, Т. (2014). Катодолюминесцентная наноскопия с угловым разрешением (Диссертация). Университет Амстердама. hdl : 11245/1.417564 .
• Электронные лучи поджигают наноструктуры [PDF] , ES Reich, Nature 493, 143 (2013)
• Ленеманн, Дж. (2013). Люминесценция нанопроволок групп III-V, содержащих гетероструктуры (pdf) (кандидатская диссертация). Гумбольдт-Университет Берлина.
• Каттге, М. (2009). Катодолюминесцентная плазмонная микроскопия (pdf) (Диссертация). Утрехтский университет.
• Сканирующая катодолюминесцентная микроскопия , К.М. Пэриш и П.Е. Рассел, в «Достижениях в области визуализации и электронной физики», V.147, изд. П.В. Хоукс, стр. 1 (2007)
• Краткий обзор катодолюминесцентного анализа и его влияние на интерпретацию карбонатных коллекторов. Тематическое исследование среднеюрских оолитовых резервуаров в Парижском бассейне. Архивировано 25 сентября 2018 г. в Wayback Machine , Б. Гранье и К. Стаффельбах (2009).
• Катодолюминесцентная микроскопия неорганических твердых веществ, Б.Г. Якоби и Д.Б. Холт, Нью-Йорк, Springer (1990).

Внешние ссылки

• Прикладная лаборатория катодолюминесцентной спектроскопии с временным разрешением в Институте Поля Друде
• LumiSpy – анализ данных люминесцентной спектроскопии с помощью Python
• Научные результаты о катодолюминесценции высокого пространственного разрешения, заархивированные 27 июля 2020 г. в Wayback Machine.