Katodoluminiscence - Cathodoluminescence - Wikipedia

Katodoluminiscence je optický a elektromagnetický jev ve kterém elektrony dopadající na a světélkující materiál jako a fosfor, způsobují emise fotony které mohou mít vlnové délky v viditelné spektrum. Známým příkladem je generování světla elektronovým paprskem skenujícím fosforem potažený vnitřní povrch obrazovky a televize který používá a katodová trubice. Katodoluminiscence je inverzní k fotoelektrický efekt, ve kterém je emise elektronů indukována ozářením fotony.

Náčrt katodoluminiscenčního systému: Elektronový paprsek prochází malým otvorem v parabolickém zrcadle, který sbírá světlo a odráží ho do spektrometr. A nabíjené zařízení (CCD) nebo fotonásobič (PMT) lze použít pro paralelní nebo monochromatickou detekci. An proud indukovaný elektronovým paprskem Signál (EBIC) lze zaznamenat současně.

Původ

Světélkování v polovodičových výsledcích, když elektron v vodivé pásmo rekombinuje s a otvor ve valenčním pásmu. Rozdílová energie (pásmová mezera) tohoto přechodu může být emitována ve formě a foton. Energie (barva) fotonu a pravděpodobnost, že foton a ne a telefon bude emitováno, záleží na materiálu, jeho čistotě a přítomnosti defektů. Nejprve musí být elektron excitován z valenční pásmo do vodivé pásmo. V katodoluminiscenci k tomu dochází v důsledku dopadu vysokoenergetického elektronového paprsku na a polovodič. Tyto primární elektrony však nesou příliš mnoho energie na přímé excitování elektronů. Místo toho vede nepružný rozptyl primárních elektronů v krystalu k emisi sekundární elektrony, Augerovy elektrony a Rentgenové záření, což se může také rozptýlit. Taková kaskáda rozptylových událostí vede až k 103 sekundární elektrony na dopadající elektron.[1] Tyto sekundární elektrony mohou excitovat valenční elektrony do vodivého pásma, když mají kinetickou energii přibližně trojnásobnou mezera v pásmu energie materiálu .[2] Odtamtud se elektron rekombinuje s otvorem ve valenčním pásmu a vytvoří foton. Přebytečná energie se přenáší na fonony a ohřívá tak mřížku. Jednou z výhod excitace elektronovým paprskem je, že mezera v pásmu energie zkoumaných materiálů není omezena energií dopadajícího světla jako v případě fotoluminiscence. Proto v katodoluminiscenci může být zkoumaným „polovodičem“ ve skutečnosti téměř jakýkoli nekovový materiál. Ve smyslu struktura pásma, stejným způsobem lze zacházet s klasickými polovodiči, izolátory, keramikou, drahokamy, minerály a skly.

Mikroskopie

v geologie, mineralogie, věda o materiálech a polovodičové inženýrství, a rastrovací elektronový mikroskop vybavené katodoluminiscenčním detektorem nebo optickým katodoluminiscenční mikroskop, lze použít ke zkoumání vnitřních struktur polovodičů, hornin, keramika, sklenka atd. za účelem získání informací o složení, růstu a kvalitě materiálu.

V rastrovacím elektronovém mikroskopu

Barevná vrstva katodoluminiscence zapnuta SEM obrázek InGaN polykrystal. Modrý a zelený kanál představují skutečné barvy, červený kanál odpovídá UV záření.
Barevná katodoluminiscence diamantu v SEM, skutečné barvy

V těchto nástrojích dopadá zaostřený paprsek elektronů na vzorek a indukuje ho k emitování světla, které je sbíráno optickým systémem, jako je eliptické zrcadlo. Odtud a optické vlákno bude přenášet světlo z mikroskopu, kde je odděleno na jednotlivé vlnové délky pomocí a monochromátor a poté je detekován pomocí fotonásobič trubka. Skenováním paprsku mikroskopu ve vzoru X-Y a měřením světla vyzařovaného paprskem v každém bodě lze získat mapu optické aktivity vzorku (katodoluminiscenční zobrazování). Namísto toho lze měřením závislosti vlnových délek pro pevný bod nebo určitou oblast zaznamenat spektrální charakteristiky (katodoluminiscenční spektroskopie). Kromě toho, pokud je trubice fotonásobiče nahrazena a CCD kamera celý spektrum lze měřit v každém bodě mapy (hyperspektrální zobrazování ). Kromě toho lze optické vlastnosti objektu korelovat se strukturálními vlastnostmi pozorovanými elektronovým mikroskopem.

Hlavní výhodou techniky založené na elektronovém mikroskopu je její prostorové rozlišení. V rastrovacím elektronovém mikroskopu je dosažitelné rozlišení řádově několik desítek nanometrů,[3] zatímco v (skenování) transmisní elektronový mikroskop lze vyřešit funkce o velikosti nanometrů.[4] Kromě toho je možné provádět časově rozlišená měření na nanosekundové až pikosekundové úrovni, pokud lze elektronový paprsek „rozsekat“ na nano- nebo pikosekundové pulsy paprskovým blankerem nebo pulzním zdrojem elektronů. Tyto pokročilé techniky jsou užitečné pro zkoumání nízkodimenzionálních polovodičových struktur, např kvantové jamky nebo kvantové tečky.

Zatímco elektronový mikroskop s katodoluminiscenčním detektorem poskytuje velké zvětšení, optický katodoluminiscenční mikroskop těží ze své schopnosti zobrazovat skutečné viditelné barevné rysy přímo okulárem. Nověji vyvinuté systémy se snaží kombinovat jak optický, tak elektronový mikroskop, aby využily výhod obou těchto technik. [5]

Rozšířené aplikace

Ačkoli přímá bandgap polovodiče jako např GaAs nebo GaN jsou těmito technikami nejsnadněji zkoumány, nepřímé polovodiče jako např křemík také emitují slabou katodoluminiscenci a lze je také vyšetřit. Zejména luminiscence vykloubil křemík se liší od vnitřního křemíku a lze jej použít k mapování defektů v integrované obvody.

V poslední době se ke studiu používá také katodoluminiscence prováděná v elektronových mikroskopech povrchové plasmonové rezonance v metalické barvě nanočástice.[6] Povrch plazmony v kovových nanočásticích mohou absorbovat a vyzařovat světlo, i když proces je odlišný od procesu v polovodičích. Podobně byla katodoluminiscence využívána jako sonda k mapování lokální hustoty stavů planárního dielektrika fotonické krystaly a nanostrukturované fotonické materiály.[7]

Viz také

Reference

  1. ^ Mitsui, T; Sekiguchi, T; Fujita, D; Koguchi, N. (2005). "Porovnání mezi elektronovým paprskem a světlem blízkého pole na luminiscenční excitaci polovodičových kvantových teček GaAs / AlGaAs". Jpn. J. Appl. Phys. 44 (4A): 1820–1824. Bibcode:2005JaJAP..44.1820M. doi:10.1143 / JJAP.44.1820. S2CID  56031946.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  2. ^ Klein, C. A. (1968). "Závislost na bandgapu a související vlastnosti radiačních ionizačních energií v polovodičích". 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 .; Brandt, O. (2014). "Lokalizace a defekty v axiálních (In, Ga) N / GaN nanodrátových heterostrukturách zkoumaných prostorově rozlišenou luminiscenční spektroskopií". J. Phys. D: Appl. Phys. 47 (39): 394010. arXiv:1405.1507. Bibcode:2014JPhD ... 47M4010L. doi:10.1088/0022-3727/47/39/394010.
  4. ^ Zagonel; et al. (2011). „Spektrální zobrazování kvantových emitorů v nanodrátech a jejich korelace s atomově vyřešenou strukturou v nanometrickém měřítku“. Nano dopisy. 11 (2): 568–73. arXiv:1209.0953. Bibcode:2011NanoL..11..568Z. doi:10.1021 / nl103549t. PMID  21182283.
  5. ^ „Co je to kvantitativní katodoluminiscence?“. 21. 10. 2013. Archivovány od originál dne 2016-10-29. Citováno 2013-10-21.
  6. ^ García de Abajo, F. J. (2010). "Optické buzení v elektronové mikroskopii" (PDF). Recenze moderní fyziky. 82 (1): 209–275. arXiv:0903.1669. Bibcode:2010RvMP ... 82..209G. doi:10.1103 / RevModPhys.82.209. hdl:10261/79235.
  7. ^ Sapienza, R.; Coenen, R .; Renger, J .; Kuttge, M .; van Hulst, N.F .; Polman, A (2012). "Hluboko-vlnové délky zobrazování modální disperze světla". Přírodní materiály. 11 (9): 781–787. Bibcode:2012NatMa..11..781S. doi:10.1038 / nmat3402. PMID  22902895. S2CID  31259521.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)

Další čtení

externí odkazy