Кіріспе

Электрондық сәуле әсерінен фотондардың шығуы. Катодлюминесценция – оптикалық және электромагниттік құбылыс, онда люминесцентті материалға, мысалы фосфорға соққан электрондар көзге көрінетін спектрдегі толқын ұзындығына ие болатын фотондардың шығарылуына себеп болады. Көрінетін мысалы – катодты сәулелі түтікшелерді пайдаланатын теледидар экранының фосформен жабылған ішкі бетін сканерлеген электрондық сәуле арқылы жарық тудыру. Катодлюминесценция фотоэлектрлік эффектінің кері процесі болып табылады, онда фотондармен сәулелендіру электронды эмиссияны тудырады.

Шығу тегі

Жартылай өткізгіштегі люминесценция өткізгіштік жолағындағы электрон валенттік жолақтағы бос орынмен қайта біріккенде пайда болады. Бұл өтудің энергия айырмасы (жолақ аралығы) фотон түрінде шығарылуы мүмкін. Фотонның энергиясы (түсі) және фотонның, емес фононның шығарылу ықтималдығы материалдың, оның тазалығының және ақаулардың болуына байланысты. Біріншіден, электронды валенттік жолақтан өткізгіштік жолағына қоздыру қажет. Католюминесценцияда бұл жоғары энергиялы электронды сәуленің жартылай өткізгішке түсуі нәтижесінде болады. Дегенмен, бұл бастапқы электрондар электрондарды тікелей қоздыру үшін тым көп энергия тасымалдайды. Керісінше, кристалдағы бастапқы электрондардың серпімсіз шашырауы екінші электрондардың, Аугер электрондарының және рентген сәулелерінің шығарылуына әкеледі, олар да шашырауы мүмкін. Мұндай шашырау оқиғаларының тізбегі түскен әрбір электронға 103-ке дейін екінші электрондардың пайда болуына алып келеді. Бұл екінші электрондар валентті электрондарды өткізгіштік жолағына, олардың кинетикалық энергиясы материалдың жолақ аралығынан үш есе артық болғанда қоздыра алады. Содан кейін электрон валенттік жолақтағы бос орынмен қайта бірігіп, фотон жасайды. Артық энергия фонондарға беріліп, кристалдық торды қыздырады. Электрондық сәулемен қоздырудың бір артықшылығы – зерттелген материалдардың жолақ аралығының энергиясы фотолюминесценциядағыдай, түскен жарықтың энергиясымен шектелмейді. Сондықтан, католюминесценцияда тексерілетін "жартылай өткізгіш" іс жүзінде кез келген металл емес материал бола алады. Жолақтық құрылымы тұрғысынан қарағанда, классикалық жартылай өткізгіштер, изоляторлар, керамика, әшекей тастар, минералдар және шыныны бірдей қарастыруға болады.

Микроскопиялық

Геология, минералогия, материалтану және жартылай өткізгіштерді жасау салаларында жартылай өткізгіштердің, тау жыныстарының, керамиканың, шынының және т.б. ішкі құрылымдарын зерттеу үшін катодтық люминесценция детектормен жабдықталған сканерлік электрондық микроскоп (СЭМ) немесе оптикалық катодтық люминесценция микроскопы қолданылуы мүмкін. Бұл материалдың құрамы, өсуі және сапасы туралы мәлімет алуға көмектеседі.

Оптикалық катодоллюминесценттік микроскоп

КАЛ микроскопы – кәдімгі (жарық оптикалық) микроскоп пен катодты сәулелі түтікшенің үйлесімі. Ол электрондық сәулемен сәулеленген қатты денелердің жылтыратылған жұқа кесінділерінің люминесценциялық қасиеттерін бейнелеу үшін жасалған. Катодолюминесцентті микроскопты пайдалану арқылы кристалдар мен құралымдардың ішіндегі, қалыпты жарық жағдайында көрінбейтін құрылымдарды көруге болады. Сонымен, мысалы, минералдардың өсуі туралы құнды ақпарат алуға болады. КЛ микроскопиясы геология, минералогия және материалтану ғылымдарында тау жыныстарын, минералдарды, жанартау күлін, шыныны, керамиканы, бетонды, ұшқыш күл және т.б. зерттеу үшін қолданылады. КЛ түсі мен қарқындылығы сынаманың ерекшеліктеріне және электрондық қарудың жұмыс жағдайларына байланысты. Бұл жерде электрондық сәуленің үдеу кернеуі және сәуле тогы маңызды рөл атқарады. Бүгінде КЛ микроскоптарының екі түрі қолданылады. Біреуі "салқын катод" арқылы жұмыс істейді, ол короналық разряд түтігі арқылы электрондық сәуле тудырады, екіншісі "ыстық катодты" пайдаланады. Салқын катодты КЛ микроскоптары ең қарапайым және ең экономикалық тип болып табылады. Электрондық микроскопия сияқты басқа электрондық бомбалау әдістерінен айырмашылығы, салқын катодолюминесценттік микроскопия электрондармен бірге оң иондарды да қамтамасыз етеді, бұл беттік зарядтың жиналуын бейтараптайды және сынамаға өткізгіш жабындарды жағу қажеттілігін жояды. "Ыстық катод" типі вольфрам жіпшесі бар электрондық қару арқылы электрондық сәуле тудырады. Ыстық катодтың артықшылығы – жоғары сәуле қарқындылығын дәл бақылау мүмкіндігі, бұл тіпті әлсіз люминесценциялайтын материалдарда (мысалы, кварц – суретке қараңыз) жарық шығаруды ынталандыруға мүмкіндік береді. Сынаманың зарядталуын болдырмау үшін оның бетін алтын немесе көміртекті өткізгіш қабатпен жабу қажет. Бұл әдетте шашырату құрылғысымен немесе көміртек жабығышпен жасалады.

Сканерлік электронды микроскоптан алынған катодоллюминесценция

Сканерлік электронды микроскоптарда электрондардың шоғырланған сәулесі үлгіге тиеді және оны эллипстік айна сияқты оптикалық жүйемен жиналатын жарық шығаруға итермелейді. Одан кейін, оптикалық талшық жарықты микроскоптан сыртқа шығарады, онда ол монохроматормен құрамына сәйкес толқын ұзындықтарына бөлінеді, содан соң фотокөбейтуші түтікпен анықталады. Микроскоптың сәулесін X Y үлгісімен сканерлеу және әрбір нүктеде сәулемен шақырылған жарықты өлшеу арқылы үлгінің оптикалық белсенділігінің картасын алуға болады (катодолюминесценттік бейнелеу). Керісінше, белгілі бір нүкте немесе аудан үшін толқын ұзындығының өзгеруін өлшеу арқылы спектрлік сипаттамаларды жазуға болады (катодолюминесценциялық спектроскопия). Бұдан әрі, фотокөбейтуші түтікті ККД (CCD) камерасымен алмастырғанда, картаның әрбір нүктесінде толық спектрді өлшеуге болады (гиперспектралды бейнелеу). Сонымен қатар, объектінің оптикалық қасиеттерін электронды микроскоппен байқалатын құрылымдық қасиеттерімен байланыстыруға болады. Электронды микроскопқа негізделген техниканың басты артықшылығы – кеңістіктік ажыратымдылығы. Сканерлік электронды микроскопта қол жетімді ажыратымдылық бірнеше он нанометрге жетеді, ал (сканерлік) трансляциялық электронды микроскопта (TEM) нанометрлік өлшемдегі нысандарды анықтауға болады. Сонымен қатар, электронды сәулені сәулелік кескіш немесе импульсті электронды көз арқылы нано- немесе пикосекундтық импульстарға "бөлсе", наносекундтықтан пикосекундтық деңгейдегі уақытқа тәуелді өлшемдерді жүргізуге болады. Бұл жетілдірілген әдістер төмен өлшемді жартылай өткізгіш құрылымдарды, мысалы, кванттық құдықтарды немесе кванттық нүктелерді зерттеу үшін пайдалы. Катодолюминесценттік детекторы бар электронды микроскоп жоғары үлкейтуді қамтамасыз етеді, ал оптикалық катодолюминесценттік микроскоп көзден тікелей көрінетін түстік ерекшеліктерді көрсету мүмкіндігімен артықшылыққа ие. Жақында жасалған жүйелер осы екі техниканың мүмкіндіктерін пайдалану үшін оптикалық және электронды микроскоптарды біріктіруге тырысады.

Кеңейтілген қолдану

GaAs немесе GaN сияқты тікелей жолақты жартылай өткізгіштерді осы техникалармен зерттеу оңай болғанымен, кремний сияқты жанама жолақты жартылай өткізгіштер де әлсіз катодоллюминесценция шығарып, зерттеуге жарамды. Атап айтқанда, бұзылған кремнийдің люминесценциясы таза кремнийден өзгеше, сондықтан оны интегралдық схемалардағы ақауларды іздеуге қолдануға болады. Соңғы кезде электронды микроскоптарда жүргізілетін катодоллюминесценция металл нанобөлшектердегі беттік плазмондық резонанстарды зерттеу үшін де пайдаланылуда. Металл нанобөлшектеріндегі беттік плазмондар жарықты сіңіріп, шығара алады, бірақ бұл процесс жартылай өткізгіштердегіден мүлдем басқаша. Сол сияқты, катодолюминесценция жазық диэлектрлік фотондық кристалдар мен наноқұрылымды фотондық материалдардың жергілікті күй тығыздығын іздеуге зонд ретінде қолданылды.