Katodoluminescencja - Cathodoluminescence

Kolorowa katodoluminescencja diamentu w SEM , prawdziwe kolory

Katodoluminescencja to zjawisko optyczne i elektromagnetyczne, w którym elektrony uderzając w materiał luminescencyjny , taki jak luminofor , powodują emisję fotonów, które mogą mieć długość fali w zakresie widzialnym . Znanym przykładem jest generowanie światła przez wiązkę elektronów skanującą pokrytą luminoforem wewnętrzną powierzchnię ekranu telewizora z lampą katodową . Katodoluminescencja jest odwrotnością efektu fotoelektrycznego , w którym emisja elektronów jest indukowana przez napromieniowanie fotonami.

Początek

Szkic układu katodoluminescencyjnego: Wiązka elektronów przechodzi przez mały otwór w zwierciadle parabolicznym, który zbiera światło i odbija je do spektrometru . Urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) lub fotopowielacz (PMT) może być używane odpowiednio do detekcji równoległej lub monochromatycznej. Prądu wiązki elektronów indukowanego sygnału (EBIC) mogą być rejestrowane jednocześnie.

Luminescencja w półprzewodniku powstaje, gdy elektron w paśmie przewodnictwa rekombinuje z dziurą w paśmie walencyjnym. Energia różnicowa (przerwa wzbroniona) tego przejścia może być emitowana w postaci fotonu . Energia (kolor) fotonu i prawdopodobieństwo, że foton zostanie wyemitowany, a nie fonon , zależy od materiału, jego czystości i obecności defektów. Najpierw elektron musi zostać wzbudzony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa . W katodoluminescencji następuje to w wyniku uderzenia wiązki elektronów o wysokiej energii na półprzewodnik . Jednak te pierwotne elektrony niosą zbyt dużo energii, aby bezpośrednio wzbudzać elektrony. Zamiast tego, nieelastycznego pierwotnych elektronów w przewodach kryształu emisji elektronów wtórnych , elektrony Augera i promieni rentgenowskich , które z kolei mogą rozpraszać również. Taka kaskada zdarzeń rozpraszania prowadzi do 10 3 elektronów wtórnych na elektron padający. Te wtórne elektrony mogą wzbudzać elektrony walencyjne do pasma przewodnictwa, gdy mają energię kinetyczną około trzy razy większą niż energia przerwy energetycznej materiału . Stamtąd elektron rekombinuje z dziurą w paśmie walencyjnym i tworzy foton. Nadmiar energii jest przekazywany do fononów i w ten sposób ogrzewa siatkę. Jedną z zalet wzbudzania wiązką elektronów jest to, że energia przerwy energetycznej badanych materiałów nie jest ograniczona energią padającego światła, jak w przypadku fotoluminescencji . Dlatego w katodoluminescencji badanym „półprzewodnikiem” może być w rzeczywistości prawie każdy materiał niemetaliczny. Pod względem struktury pasmowej w ten sam sposób można traktować klasyczne półprzewodniki, izolatory, ceramikę, kamienie szlachetne, minerały i szkła.

Mikroskopia

Kolorowa nakładka katodoluminescencyjna na obraz SEM polikryształu InGaN . Kanały niebieski i zielony reprezentują rzeczywiste kolory, kanał czerwony odpowiada emisji UV.

W geologii , mineralogii , materiałoznawstwie i inżynierii półprzewodników skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) wyposażony w detektor katodoluminescencyjny lub optyczny mikroskop katodoluminescencyjny może służyć do badania struktur wewnętrznych półprzewodników, skał, ceramiki , szkła itp. aby uzyskać informacje na temat składu, wzrostu i jakości materiału.

W skaningowym mikroskopie elektronowym

W tych instrumentach skupiona wiązka elektronów pada na próbkę i powoduje jej emisję światła, które jest zbierane przez układ optyczny, taki jak lustro eliptyczne. Stamtąd światłowód przeniesie światło z mikroskopu, gdzie jest ono rozdzielane na składowe długości fal za pomocą monochromatora, a następnie wykrywane za pomocą fotopowielacza . Skanując wiązkę mikroskopu w układzie XY i mierząc światło emitowane przez wiązkę w każdym punkcie, można uzyskać mapę aktywności optycznej próbki (obrazowanie katodoluminescencyjne). Zamiast tego, mierząc zależność długości fali dla ustalonego punktu lub określonego obszaru, można rejestrować charakterystykę widmową (spektroskopia katodoluminescencyjna). Ponadto, jeśli fotopowielacz zostanie zastąpiony kamerą CCD , w każdym punkcie mapy można zmierzyć całe widmo ( obrazowanie hiperspektralne ). Ponadto właściwości optyczne obiektu można skorelować z właściwościami strukturalnymi obserwowanymi za pomocą mikroskopu elektronowego.

Podstawowymi zaletami techniki opartej na mikroskopie elektronowym jest jego rozdzielczość przestrzenna. W skaningowym mikroskopie elektronowym osiągalna rozdzielczość jest rzędu kilku dziesięciu nanometrów, podczas gdy w (skaningowym) transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM) można rozdzielić cechy wielkości nanometrów. Dodatkowo, możliwe jest wykonywanie pomiarów czasowo-rozdzielczych na poziomie nanosekund do pikosekund, jeśli wiązkę elektronów można „pociąć” na impulsy nano- lub pikosekundowe za pomocą wygaszacza wiązki lub impulsowego źródła elektronów. Te zaawansowane techniki są przydatne do badania niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych, takich jak studnie kwantowe czy kropki kwantowe .

Podczas gdy mikroskop elektronowy z detektorem katodoluminescencyjnym zapewnia duże powiększenie, optyczny mikroskop katodoluminescencyjny korzysta z możliwości pokazywania rzeczywistych widocznych cech barwnych bezpośrednio przez okular. Ostatnio opracowane systemy próbują połączyć zarówno mikroskop optyczny, jak i elektronowy, aby wykorzystać obie te techniki.

Rozszerzone aplikacje

Chociaż półprzewodniki z bezpośrednim pasmem wzbronionym, takie jak GaAs lub GaN, są najłatwiejsze do zbadania za pomocą tych technik, półprzewodniki pośrednie, takie jak krzem, również emitują słabą katodoluminescencję i można je również badać. W szczególności luminescencja przemieszczonego krzemu różni się od krzemu wewnętrznego i może być wykorzystywana do mapowania defektów w układach scalonych .

Ostatnio katodoluminescencja wykonywana w mikroskopach elektronowych jest również wykorzystywana do badania powierzchniowych rezonansów plazmonowych w nanocząstkach metalicznych . Plazmony powierzchniowe w nanocząsteczkach metali mogą absorbować i emitować światło, chociaż proces ten różni się od tego w półprzewodnikach. Podobnie katodoluminescencja została wykorzystana jako sonda do mapowania lokalnej gęstości stanów płaskich dielektrycznych kryształów fotonicznych i nanostrukturalnych materiałów fotonicznych.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki