katodolüminesans - Cathodoluminescence

SEM'de bir elmasın renk katodolüminesansı , gerçek renkler

Katodolüminesans , fosfor gibi ışıldayan bir malzemeye çarpan elektronların , görünür spektrumda dalga boylarına sahip olabilen fotonların emisyonuna neden olduğu optik ve elektromanyetik bir olgudur . Tanıdık bir örnek, bir katot ışın tüpü kullanan bir televizyon ekranının fosfor kaplı iç yüzeyini tarayan bir elektron ışını tarafından ışık üretilmesidir . Katodolüminesans, fotonlarla ışınlama yoluyla elektron emisyonunun indüklendiği fotoelektrik etkinin tersidir .

Menşei

Katodolüminesans sisteminin taslağı: Elektron ışını, ışığı toplayan ve spektrometreye yansıtan parabolik aynadaki küçük bir açıklıktan geçer . Sırasıyla paralel veya monokromatik algılama için bir şarj bağlantılı cihaz (CCD) veya fotoçoğaltıcı (PMT) kullanılabilir. Bir elektron ışını ile indüklenen akım (EBIC) sinyali aynı anda kaydedilebilir.

Lüminesans bir yarı-iletken sonuçlarında bir zaman elektron olarak iletim bandı , bir ile yeniden delik valans bandında. Bu geçişin fark enerjisi (bant aralığı) bir foton şeklinde yayılabilir . Fotonun enerjisi (rengini) ve bir fononun değil de bir fotonun yayılma olasılığı malzemeye, saflığına ve kusurların varlığına bağlıdır. İlk olarak, elektron uyarılmış gereken valans içine iletim bandı . Katodolüminesansta bu, bir yarı iletken üzerine yüksek enerjili elektron demetinin çarpması sonucu oluşur . Bununla birlikte, bu birincil elektronlar, elektronları doğrudan uyarmak için çok fazla enerji taşır. Bunun yerine, kristaldeki birincil elektronların esnek olmayan saçılması, ikincil elektronların , Auger elektronlarının ve X-ışınlarının emisyonuna yol açar ve bunlar da saçılabilir. Kadar 10 etkinlik potansiyel saçılma böyle bir kaskat 3 olay elektron başına ikincil elektron. Bu ikincil elektronlar , malzemenin bant aralığı enerjisinin yaklaşık üç katı bir kinetik enerjiye sahip olduklarında, değerlik elektronlarını iletim bandına uyarabilir . Buradan elektron, değerlik bandındaki bir delikle yeniden birleşir ve bir foton oluşturur. Fazla enerji fononlara aktarılır ve böylece kafes ısıtır. Bir elektron ışını ile uyarmanın avantajlarından biri, araştırılan malzemelerin bant aralığı enerjisinin, fotolüminesans durumunda olduğu gibi gelen ışığın enerjisiyle sınırlı olmamasıdır . Bu nedenle, katodolüminesansta incelenen "yarı iletken" aslında hemen hemen her metalik olmayan malzeme olabilir. Bant yapısı açısından klasik yarı iletkenler, yalıtkanlar, seramikler, değerli taşlar, mineraller ve camlar aynı şekilde işlenebilir.

mikroskopi

Bir InGaN polikristalinin SEM görüntüsü üzerinde renkli katodolüminesans kaplaması . Mavi ve yeşil kanallar gerçek renkleri temsil eder, kırmızı kanal UV emisyonuna karşılık gelir.

Olarak jeoloji , mineraloji , malzeme bilimi ve yarı iletken endüstrisi, bir tarama elektron mikroskobu (SEM) , bir katodolüminesans detektörü, ya da bir optik ile donatılmış katodolüminesans mikroskop , yarı iletkenler, kayalar, iç yapılarının incelenmesi için kullanılabilen seramik , cam için, vb malzemenin bileşimi, büyümesi ve kalitesi hakkında bilgi almak.

Taramalı elektron mikroskobunda

Bu aletlerde odaklanmış bir elektron demeti bir numuneye çarpar ve onu, eliptik bir ayna gibi bir optik sistem tarafından toplanan ışığı yayması için indükler. Oradan, bir fiber optik , ışığı bir monokromatör tarafından bileşen dalga boylarına ayrıldığı ve daha sonra bir fotoçoğaltıcı tüp ile tespit edildiği mikroskoptan dışarı aktaracaktır . Mikroskop ışınını bir XY modelinde tarayarak ve ışınla yayılan ışığı her noktada ölçerek numunenin optik aktivitesinin bir haritası elde edilebilir (katodolüminesans görüntüleme). Bunun yerine, sabit bir nokta veya belirli bir alan için dalga boyu bağımlılığını ölçerek, spektral özellikler kaydedilebilir (katodolüminesans spektroskopisi). Ayrıca, fotoçoğaltıcı tüp bir CCD kamera ile değiştirilirse , bir haritanın her noktasında tüm bir spektrum ölçülebilir ( hiperspektral görüntüleme ). Ayrıca, bir nesnenin optik özellikleri, elektron mikroskobu ile gözlemlenen yapısal özelliklerle ilişkilendirilebilir.

Elektron mikroskobu tabanlı tekniğin başlıca avantajları, uzaysal çözünürlüğüdür. Taramalı elektron mikroskobunda, elde edilebilir çözünürlük birkaç on nanometre mertebesindeyken, (taramalı) transmisyon elektron mikroskobunda (TEM) nanometre boyutundaki özellikler çözülebilir. Ek olarak, eğer elektron ışını bir ışın-boşaltıcı veya darbeli bir elektron kaynağı ile nano- veya piko-saniye darbelerine "parçalanabiliyorsa" nanosaniye ila pikosaniye düzeyinde zaman çözümlü ölçümler yapmak mümkündür. Bu gelişmiş teknikler, kuantum kuyuları veya kuantum noktaları gibi düşük boyutlu yarı iletken yapıları incelemek için kullanışlıdır .

Katodolüminesans detektörlü bir elektron mikroskobu yüksek büyütme sağlarken, optik katodolüminesans mikroskobu, gerçek görünür renk özelliklerini doğrudan göz merceğinden gösterme yeteneğinden yararlanır. Daha yakın zamanda geliştirilen sistemler, bu tekniklerin her ikisinden de yararlanmak için hem optik hem de elektron mikroskobunu birleştirmeye çalışır.

Genişletilmiş uygulamalar

Her ne kadar doğrudan bant aralığı gibi yarı iletkenler GaAs veya GaN en kolay, bu teknikler ile incelenir, bu gibi dolaylı yarı iletken silikon , zayıf katodolüminesans verir ve hem de incelenebilir. Özellikle, yerinden çıkmış silikonun lüminesansı, içsel silikondan farklıdır ve entegre devrelerdeki kusurları haritalamak için kullanılabilir .

Son zamanlarda, elektron mikroskoplarında gerçekleştirilen katodolüminesans , metalik nanoparçacıklardaki yüzey plazmon rezonanslarını incelemek için de kullanılmaktadır . Metal nanoparçacıklardaki yüzey plazmonları ışığı emebilir ve yayabilir, ancak süreç yarı iletkenlerdekinden farklıdır. Benzer şekilde, katodolüminesans düzlemsel dielektrik fotonik kristallerin ve nano yapılı fotonik malzemelerin durumlarının yerel yoğunluğunu haritalamak için bir sonda olarak kullanılmıştır .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar