Введение
Выброс фотонов под воздействием электронного пучка
Катодолюминесценция – это оптическое и электромагнитное явление, при котором электроны, воздействуя на люминесцентный материал, такой как фосфор, вызывают эмиссию фотонов, длина волны которых может лежать в видимом спектре. Хорошо известный пример – генерация света электронным лучом, сканирующим фосфорное покрытие внутренней поверхности экрана телевизора с электронно-лучевой трубкой. Катодолюминесценция является обратным по отношению к фотоэффекту, в котором эмиссия электронов индуцируется облучением фотонами.
Происхождение
Люминесценция в полупроводнике возникает, когда электрон в зоне проводимости рекомбинирует с дыркой в валентной зоне. Энергия разности (ширина запрещенной зоны) этого перехода может излучаться в виде фотона. Энергия (цвет) фотона и вероятность излучения фотона, а не фонона, зависят от материала, его чистоты и наличия дефектов. Сначала электрон должен быть возбужден из валентной зоны в зону проводимости. В катодолюминесценции это происходит в результате воздействия на полупроводник высокоэнергетического электронного пучка. Однако эти первичные электроны обладают слишком большой энергией для непосредственного возбуждения электронов. Вместо этого неупругое рассеяние первичных электронов в кристалле приводит к излучению вторичных электронов, электронов Оже и рентгеновских лучей, которые, в свою очередь, также могут рассеиваться. Такой каскад рассеяния приводит к образованию до 103 вторичных электронов на один падающий электрон. Эти вторичные электроны могут возбуждать валентные электроны в зону проводимости, когда их кинетическая энергия примерно в три раза превышает ширину запрещенной зоны материала. Затем электрон рекомбинирует с дыркой в валентной зоне и создает фотон. Избыточная энергия передается фононам, тем самым нагревая кристаллическую решетку. Одним из преимуществ возбуждения электронным пучком является то, что энергия запрещенной зоны исследуемых материалов не ограничена энергией падающего света, как в случае фотолюминесценции. Поэтому в катодолюминесценции исследуемым "полупроводником" может быть практически любой неметаллический материал. С точки зрения зонной структуры, классические полупроводники, изоляторы, керамика, драгоценные камни, минералы и стекла могут рассматриваться одинаково.
Микроскопия
В геологии, минералогии, материаловедении и полупроводниковой инженерии сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), оснащенный детектором катодолюминесценции, или оптический катодолюминесценционный микроскоп, может быть использован для изучения внутренних структур полупроводников, горных пород, керамики, стекла и других материалов с целью получения информации об их составе, росте и качестве.
оптический катодолюминесцентный микроскоп
Катодолюминесцентный (КЛ) микроскоп сочетает в себе обычный (световой оптический) микроскоп с электронно-лучевой трубкой. Он предназначен для визуализации характеристик люминесценции отполированных тонких шлифов твердых материалов, облучаемых электронным пучком. С помощью катодолюминесцентного микроскопа можно увидеть структуры внутри кристаллов или текстур, которые не видны при обычном освещении. Таким образом, например, можно получить ценную информацию о росте минералов. КЛ-микроскопия используется в геологии, минералогии и материаловедении для исследования горных пород, минералов, вулканического пепла, стекла, керамики, бетона, золы уноса и т.д. Цвет и интенсивность КЛ зависят от характеристик образца и условий работы электронного пушка. Здесь особое значение имеют ускоряющее напряжение и ток электронного пучка. Сегодня используются два типа КЛ-микроскопов. Один работает с "холодным катодом", генерирующим электронный луч посредством трубки с коронным разрядом, другой – с использованием "горячего катода". Холодный катодный КЛ-микроскоп – самый простой и экономичный тип. В отличие от других методов электронной бомбардировки, таких как электронная микроскопия, холодная катодолюминесцентная микроскопия обеспечивает поступление положительных ионов вместе с электронами, которые нейтрализуют накопление поверхностного заряда и устраняют необходимость нанесения проводящих покрытий на образцы. "Горячий катод" генерирует электронный луч с помощью электронной пушки с вольфрамовой нитью. Преимущество горячего катода – в точно контролируемой высокой интенсивности пучка, позволяющей стимулировать излучение света даже от слабо люминесцирующих материалов (например, кварца – см. рисунок). Для предотвращения зарядки образца поверхность необходимо покрыть проводящим слоем золота или углерода. Обычно это делается с помощью установки для магнетронного распыления или углеродного напылителя.
Катологимнесценция с сканирующего электронного микроскопа
В сканирующих электронных микроскопах сфокусированный пучок электронов воздействует на образец, индуцируя в нём излучение света, которое собирается оптической системой, такой как эллиптическое зеркало. Оттуда световод передаёт свет из микроскопа, где он разделяется на составляющие длины волн монохроматором и затем детектируется фотоэлектронным умножителем. Сканируя пучок микроскопа по схеме X-Y и измеряя свет, излучаемый пучком в каждой точке, можно получить карту оптической активности образца (катодолюминесцентная визуализация). Вместо этого, измеряя зависимость длины волны в фиксированной точке или на определённой площади, можно зарегистрировать спектральные характеристики (катодолюминесцентная спектроскопия). Более того, если фотоэлектронный умножитель заменить ПЗС-камерой, можно измерить весь спектр в каждой точке карты (гиперспектральная визуализация). Кроме того, оптические свойства объекта могут быть сопоставлены 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, а в (сканирующем) просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) можно различить объекты размером в несколько нанометров. Кроме того, возможно проводить измерения с временным разрешением от наносекунд до пикосекунд, если электронный пучок можно "разбить" на нано- или пикосекундные импульсы с помощью бланкера пучка или импульсного электронного источника. 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, оптический катодолюминесцентный микроскоп выигрывает от своей способности отображать реальные видимые цветовые особенности непосредственно через окуляр. Более современные системы стремятся объединить оптический и электронный микроскопы, чтобы использовать преимущества обеих техник.
Расширенные применения
Хотя полупроводники с прямой запрещенной зоной, такие как GaAs или GaN, легче всего исследовать с помощью этих методов, косвенные полупроводники, такие как кремний, также испускают слабую катодолюминесценцию, и их тоже можно исследовать. В частности, люминесценция дислоцированного кремния отличается от люминесценции чистого 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 способны поглощать и излучать свет, хотя этот процесс отличается от происходящего в полупроводниках. Аналогично, катодолюминесценция была использована в качестве инструмента для картирования локальной плотности состояний планарных диэлектрических фотонных кристаллов и наноструктурированных фотонных материалов.