阴极射线发光

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阴极射线发光系统的示意图:电子束穿过抛物面镜(parabolic mirror)上的一个小孔后入射样品;从样品出射的光经过反射进入光谱仪后,可以使用感光耦合元件(CCD)或光电倍增管(PMT)进行探测,同时还可以对电子束感应电流英语electron beam-induced current(EBIC)进行测量。

阴极射线发光(Cathodoluminescence,CL)或阴极发光阴极射线致发光,是一种冷发光现象,指的是磷光体之类的材料受电子照射时发射出可见光的现象。阴极射线发光常见于老式电视显像管;其利用电子束在电视屏幕内侧的磷光体上来回扫描,通过控制屏幕上不同区域的发光强度生成图像。

来源编辑

半导体中的冷发光来源于导带中的电子价带中的空穴的重新结合时以光子形式发射出的能量。这些光子的能量(或颜色)取决于材料的性质、纯度以及其中的杂质。但在此之前,价带中的电子需要先受激进入导带。在阴极射线发光中,价带电子被高能电子束所激发。高能电子射入材料后还会造成材料中二次電子俄歇电子X射线的发射;这些电子会再次在材料内部发生散射,产生更多的电子。最终,每一个入射的电子会导致多达103的二次电子的发射[1]。当这些二次电子的动能达到能隙的三倍时( ),就会激发价带电子进入导带[2]。用电子束激发材料发光和光致发光相比的优势在于,后者对材料能隙的观测受限于入射光的能量。因此,几乎所有的非金属材料都可以运用阴极射线发光手段进行表征。

在显微技术中的应用编辑

地质学矿物学材料科学和半导体工程学中,结合了阴极射线发光探测器的扫描电子显微镜光学显微镜被用于探测半导体、岩石、陶瓷器玻璃等材料内部的结构,以获取这些材料的组成成分、生长情况和品质。

在扫描电镜中的应用编辑

 
图为InGaN多晶,采用扫描电子显微镜照片和彩色阴极射线发光相互复叠制作而成。图像的蓝色和绿色通道表现的是真实颜色,红色通道关联于紫外发射。

电子显微镜使用聚焦后的电子束照射于样品上;从样品中激发出的光通过某些光学系统(例如椭面镜)进行收集。光導纖維将这些光从显微镜内部传导出来后,单色器英语Monochromator可以分离这些光所包含的不同波长成分,然后使用光电倍增管进行测量。若对显微镜视野内的区域进行扫描,并在电子束扫描到每一点时测量样品所发出的光;将这些测量结果汇集起来即可绘制出阴极射线发光的“分布图”,表现的是显微镜视野区域内光学活动的分布。另一种实验手段是仅让电子束照射样品上的某一固定点或固定区域,然后获取这一区域的光谱。如果用感光耦合元件代替光电倍增管,则可以测量全光學頻譜高光譜影像)。

基于电子显微镜的阴极射线发光实验手段的主要优势是其空间分辨率。扫描电镜的分辨率一般在几十纳米左右[3];(扫描)透射电子显微镜的分辨率甚至能达到几个纳米[4]。另外,如果使用脉冲式的电子源甚至可以实现时间分辨率达到纳秒皮秒级别的测量,可被应用于低维度半导体结构(例如量子阱量子点)的研究。

虽然基于电子显微镜的阴极射线发光探测仪提供了较高的放大倍数,但基于光学显微镜的阴极射线发光探测仪的优势在于可以看到样品原本的颜色。最新开发的系统结合了两者的优势[5]

其他应用编辑

虽然直接带隙半导体(例如砷化鎵氮化鎵)的阴极射线发光现象最明显(最适合用上述实验手段对其进行测量),但是间接带隙半导体(例如)中也有微弱的阴极射线发光现象。利用位错硅的发光和本征硅相异的特征,可以检测出集成电路中的缺陷。

最近,基于电子显微镜的阴极射线发光测量也被用于研究金属纳米颗粒表面等离子共振[6]。金属纳米颗粒的表面電漿子也能吸收光和发光,但这一过程和半导体中的发光是不同的。同样,阴极射线发光也被用作探针,对平面介电光子晶体和纳米结构光子材料的局部态密度进行测量[7]

另见编辑

参考资料编辑

  1. ^ Mitsui, T; Sekiguchi, T; Fujita, D; Koguchi, N. Comparison between electron beam and near-field light on the luminescence excitation of GaAs/AlGaAs semiconductor quantum dots. Jpn. J. Appl. Phys. 2005, 44: 1820–1824. Bibcode:2005JaJAP..44.1820M. doi:10.1143/JJAP.44.1820. 
  2. ^ Klein, C. A. Bandgap dependence and related features of radiation ionization energies in semiconductors. J. Appl. Phys. 1968, 39: 2029–2038. Bibcode:1968JAP....39.2029K. doi:10.1063/1.1656484. 
  3. ^ Lähnemann, J.; Hauswald, C.; Wölz, M.; Jahn, U.; Hanke, M.; Geelhaar, L.; Brandt, O. Localization and defects in axial (In,Ga)N/GaN nanowire heterostructures investigated by spatially resolved luminescence spectroscopy. J. Phys. D: Appl. Phys. 2014, 47: 394010. Bibcode:2014JPhD...47M4010L. arXiv:1405.1507. doi:10.1088/0022-3727/47/39/394010. 
  4. ^ Zagonel; 等. Nanometer Scale Spectral Imaging of Quantum Emitters in Nanowires and Its Correlation to Their Atomically Resolved Structure. Nano Letters. 2011, 11: 568. Bibcode:2011NanoL..11..568Z. PMID 21182283. arXiv:1209.0953. doi:10.1021/nl103549t. 
  5. ^ What is Quantitative Cathodoluminescence ? / Attolight. www.attolight.com. [2018-12-04]. (原始内容存档于2015-03-28). 
  6. ^ García de Abajo, F. J. Optical excitations in electron microscopy. Reviews of Modern Physics. 2010, 82: 209–275. Bibcode:2010RvMP...82..209G. arXiv:0903.1669. doi:10.1103/RevModPhys.82.209. 
  7. ^ Sapienza, R.;Coenen, R.; Renger, J.; Kuttge, M.; van Hulst, N. F.; Polman, A. Deep-subwavelength imaging of the modal dispersion of light. Nature Materials. 2012, 11: 781–787. Bibcode:2012NatMa..11..781S. PMID 22902895. doi:10.1038/nmat3402. 

延伸阅读编辑

外部链接编辑