陰極發光

陰極發光。原圖鏈接

陰極發光（英語：Cathodoluminescence）是一種光學和電磁現象，電子撞擊諸如磷光體之類的發光材料會導致發出具有可見光譜波長的光子。一個熟悉的例子是通過電子束掃描使用陰極射線管的電視屏幕的熒光粉塗層內表面產生的光。陰極發光是光電效應的逆過程，在光電效應中，光子的照射引起電子發射。

目錄

起源

陰極發光的緣起，發光時在半導體結果電子在導帶與重組孔在價帶中。該躍遷的差能（帶隙）可以以光子的形式發射。光子的能量（顏色）以及發出光子而不是聲子的可能性取決於材料，其純度和缺陷的存在。首先，電子必須從價帶激發到導帶。在陰極發光中，這是由於高能電子束撞擊到半導體上而導致的。但是，這些一次電子攜帶的能量太多，無法直接激發電子。

非彈性散射

取而代之的是，晶體中一次電子的非彈性散射會導致二次電子，俄歇電子和X射線的發射，而後者又會散射。這種級聯的散射事件導致每個入射電子最多產生103個次級電子。當這些次級電子的動能約為材料的帶隙能的三倍時，它們可以將價電子激發到導帶中。電子從那裡與價帶中的空穴重組並產生光子。多餘的能量轉移到聲子，從而加熱晶格。用電子束激發的優點之一是，所研究材料的帶隙能量不受光致發光情況的限制，而不受入射光能量的限制。因此，在陰極發光中，所檢查的「半導體」實際上幾乎可以是任何非金屬材料。在能帶結構方面，經典半導體，絕緣體，陶瓷，寶石，礦物和玻璃可以用相同的方式處理。

顯微鏡檢查

在地質學，礦物學，材料科學和半導體工程學中，可以使用裝有陰極發光檢測器的掃描電子顯微鏡或光學陰極發光顯微鏡來檢查半導體，岩石，陶瓷，玻璃等的內部結構，以獲取信息。材料的組成，生長和質量。

在掃描電子顯微鏡中

在這些儀器中，聚焦的電子束撞擊樣品並誘導其發射由光學系統（例如橢圓鏡）收集的光。光纖將從那裡將光傳輸出顯微鏡，在顯微鏡中，單色器將其分離成其組成波長，然後用光電倍增管對其進行檢測。通過以XY模式掃描顯微鏡的光束並測量光束在每個點處發出的光，可以獲得標本的光學活性圖（陰極發光成像）。相反地，通過測量固定點或特定區域的波長依賴性，可以記錄光譜特徵（陰極發光光譜法）。此外，如果用CCD攝像機代替光電倍增管，則可以在地圖的每個點測量整個光譜（高光譜成像）。此外，物體的光學性質可以與電子顯微鏡觀察到的結構性質相關。

優點在空間分辨率

基於電子顯微鏡的技術的主要優點是其空間分辨率。在掃描電子顯微鏡中，可獲得的分辨率約為幾十奈米，而在（掃描）透射電子顯微鏡中，可以分辨出納米尺寸的特徵。另外，如果電子束可以通過束射隔離器或脈衝電子源「切成」納秒或皮秒脈衝，則可以執行納秒級到皮秒級的時間分辨測量。這些先進技術可用於檢查低維半導體結構，例如量子阱或量子點。

結合光學顯微鏡和電子顯微鏡

帶有陰極發光檢測器的電子顯微鏡可提供高放大倍率，而光學陰極發光顯微鏡則可以直接通過目鏡顯示實際可見的顏色特徵，從而受益匪淺。最近開發的系統試圖將光學顯微鏡和電子顯微鏡結合起來以利用這兩種技術。

擴展應用

儘管通過這些技術最容易檢查諸如GaAs或GaN之類的直接帶隙半導體，但是諸如矽之類的間接半導體也發出弱的陰極發光，也可以對其進行檢查。特別地，位錯的矽的發光與本徵矽不同，並且可以用於映射集成電路中的缺陷。 近來，在電子顯微鏡下進行的陰極發光也被用於研究金屬奈米顆粒中的表面等離子體共振。金屬納米粒子中的表面等離子體激元可以吸收和發射光，儘管該過程不同於半導體中的過程。同樣，陰極發光已被用作探針來繪製平面介電光子晶體和納米結構光子材料的局部態密度圖。