Cathodoluminescence - un luminiscenței care apare atunci când excitație în stare solidă a unui fascicul de electroni.
Pentru o interpretare corectă a datelor cathodoluminescence trebuie să ia în considerare mai mulți factori: 1) ce fenomene apar în solide atunci când este iradiat cu un fascicul de electroni; 2) semnalul generat într-o regiune; 3) Care sunt procesele fizice pot fi legate de luminescență. Avem de a face cu fiecare problemă în parte.
Interacțiunea fasciculului de electroni cu un solid
Atunci când interacționează cu proba [1] a fasciculului de electroni suferi interacțiuni care pot fi împărțite în elastic și inelastic.
In imprastiere elastic schimbă direcția vectorului de viteză de electroni și magnitudinea sa, și, prin urmare, amploarea energiei cinetice rămâne practic constantă. Probele la fiecare act de împrăștiere elastică de energie transmisă de aproximativ 1 eV, care este neglijabil în comparație cu energia electronilor inițial în fascicul (
1 keV). Unghiul de deviație de la direcția de incidență poate lua valori în etapele de proces de la 0 ° până la 180 °, dar valoarea sa cea mai probabilă de ordinul de mărime de grade unitate. scattering elastică se datorează ciocnirilor electronilor energetice ridicate, cu nucleele atomice, electronii legați parțial ecranate. Ca urmare, interacțiunea elastică a electronilor poate părăsi proba. Un astfel de electron se numește reflectat. Sa stabilit experimental că proporția electronilor reflectate poate ajunge la 30% din valoarea inițială a fasciculului de electroni. Electronii grinzi, care sunt emise de suprafața probei deoarece electronii reflectate au o energie mai scăzută decât înainte de interacțiune au fost testate în cadrul unor distanță de solide și pierde energie. electroni Reflected produc un semnal util pentru imagistica in microscopie electronică de baleiaj. Contrastul imaginii oferă informații despre schimbarea numărului mediu atomic al obiectului în studiu.
Când interacțiunile inelastice ale traiectoriei electronilor se schimbă puțin, cu corpul solid de transfer de energie. interacțiunea inelastic apare între fasciculul de electroni și proba cu electroni. Datorită interacțiunilor inelastice apar:
§ continue raze X
§ raze X caracteristice
oscilațiile electronice § (plasmonii)
Luați în considerare aceste fenomene mai mult:
§ interacțiunea cu fascicul de electroni cu corpul solid poate duce la eliberarea de electroni slab legate de conducta de bandă (m. N. electroni secundari lent). În reacția transferului de energie al mai multor electron-volți. Electronice având o astfel de energie este în măsură să părăsească proba numai atunci când este la momentul achiziției de această energie este în stratul de suprafață. De asemenea, trebuie menționat că există două surse posibile de electroni incidente electroni secundari si electroni sonda reflectate lăsând proba (figura 1.). De aceea, densitatea și direcția electronilor secundari depinde de suprafața în relief. Înregistrarea electroni secundari pot obține informații despre topografia de suprafață. Se bazează pe acest principiu al modului de înregistrare a electronilor secundari într-un microscop electronic cu scanare.
Se numește electroni secundari emiși de pe suprafața eșantionului și având energie de până la 50 eV. (Acest prag este stabilit în mod arbitrar să se facă distincția între electroni secundari și reflectate.) De distribuție a energiei de electroni secundar atinge un maxim la 5.3 eV. Distribuția de energie a electronilor emiși de suprafață este prezentată în Fig. 2, electronii secundari din grafic corespunde unei regiuni.
§ electronice de energie ridicată suferă decelerare în domeniul Coulomb al atomului. Pierderea de energie a electronilor în acest tip de frânare este convertită în cuante de raze X, numit bremsstrahlung. Deoarece pierderea de energie în procesul de această inhibare poate lua orice valoare, atunci frânare razele X formează un interval continuu de energii de la zero la electroni energie a fasciculului.
§ electronic cu energie suficient de mare, interacțiunea cu un atom, poate provoca eliberare de electroni puternic legat de învelișul interior, provocând atomul este ionizat în stare ridicată. Relaxarea ulterioara stare excitată conduce la o emisie de raze X caracteristic. Acest fenomen se bazează microanaliză. Emisia de fotoni rezultat poate fi reacționat cu un electron înveliș exterior nu este atomul din stânga (conversie internă). Electronul părăsește învelișul atomului. Acești electroni se numesc electroni Auger. (Fig. 3), trebuie remarcat faptul că, ca urmare a imaginii de proces Auger electroni Auger poate părăsi învelișul interior ca și atomii și banda de conducție sau nivelurile din diferența de bandă (în funcție de posibilele tranzițiile și concentrația purtătoare) (Figura 4). . Energia cinetică a electronilor Auger, in mod natural, mai mici.
§ O fracțiune semnificativă din energia adusă de probă pe fasciculul de electroni este trecut corp solid datorită excitării oscilații ale rețelei (fononi). t. e. datorită încălzirii. În cazul în care fasciculul de electroni este incidență pe o zonă-țintă masivă în care el dă energia este în contact termic bun cu întreaga masă a probei, în acest caz, care acționează ca un radiator eficient. Datorită acestui fapt, aceasta împiedică o creștere semnificativă a temperaturii în zona bombardat. In materiale cu conductivitate termică scăzută (sau în pelicule subțiri pe substraturi dielectrice) la curenți de fază lungă (1 mA), ca urmare a încălzirii se poate produce microvolumes modificare a probei (recoacere cu schimbare de fază, distrugere și t. D.). Încălzire, în acest caz, se poate ajunge la câteva mii de grade. Cu toate acestea, în condiții de funcționare tipice (curenți de sondă
a fost observată la 10 nA) alterarea sau distrugerea probei de testat.
§ Excitarea plasmonii. Fasciculul de electroni poate excita undele în „gaz de electroni“ care există între ionii într-un solid. Acesta este un proces foarte probabil de imprastiere inelastice. Valoarea caracteristică a pierderii de energie de electroni din cauza excitație plasmonului este de ordinul a 10-20 eV.
§ Când bombardament cu fascicul de electroni de valență bandă de electroni dielectric sau semiconductor pot fi aruncate în banda de conducție. Astfel format pereche electron-gol. Dacă proba nu este energizat, cuplul de separare, electronii și găurile pot recombina. Energia este radiată sub forma unui foton. Acest fenomen se numește cathodoluminescence. Cu toate acestea, contribuția la cathodoluminescence poate face, de asemenea, nivelurile de impurități în zona interzisă. Posibile procese în trepte de recombinare prin niveluri de impurități, inclusiv așa-numita intracenter tranziții (cm. Mai jos).
Toate fenomenele care apar în timpul iradierii unui fascicul de electroni corp solid, apar în așa-numita regiune de interacțiune. Adesea, termenul se aplică, de asemenea, regiunea generație. Rețineți că acești termeni sunt fundamental diferite.
Sub interacțiunea cu fascicul de electroni cu substanța de înțeles în mod obișnuit volumul de substanță în care electronii sunt incidente pe modelul de fascicul își pierde toată energia cinetică.
regiune generație se numește volumul în care evenimentul a considerat (cathodoluminescence, naștere cu raze X, și așa mai departe. d.). Fiecare are propria regiune generație fenomen (Figura 5). Generarea regiunii pentru diferite fenomene se deosebesc unele de altele și din regiunea de interacțiune cu volumul și forma. Dimensiunile generării unui proces este determinată de energia de activare. De exemplu, ca pentru raze X excitație necesită bo energie lshaya decât gama vizibil pentru a genera fotoni, regiune de generare de raze X este de volum mai mic decât regiunea cathodoluminescence generație.
Interacțiunea regiune poate avea o formă geometrică diferită. Forma este dependentă în principal de energie de electroni, numărul mediu atomic al substanței și unghiul de incidență fasciculului. De obicei, în experiment folosind incidența normală a fasciculului de electroni pe proba.
Este mai mic numărul atomic și cea mai mare energia de electroni, electronii pătrund mai adânc în eșantion și cu atât mai puțin se abate de la traiectoria inițială. (La disipare mare de energie elastică este mai puțin probabil decât inelastică.) Apoi, pierderea de energie, ei încep să se abată de la unghiuri mari. Astfel, atunci când un mic număr mediu atomic al eșantionului și regiunea de interacțiune de electroni de energie înaltă în formă de pară (Fig. 6). In caz contrar (un mare număr atomic mediu și energie scăzută) o regiune de interacțiune are o formă emisferică (fig. 6).
În cazul în care proba de studiu nu este un strat solid omogen și o structură multistrat, poate produce excitarea simultană a mai multor straturi dispuse la adâncimi diferite. Schimbarea de energie a fasciculului de electroni într-un experiment ne permite studierea structurii multistrat în profunzime, adică pentru a măsura intensitatea cathodoluminescence asociate cu straturi diferite, în funcție de adâncimea de penetrare a electronilor în material. (Fig. 6).
Fig. 6. Dependența regiunii de interacțiune pe condiții experimentale și tipuri de eșantioane.
fascicul de electroni interacționează cu proba rezultatele în apariția stărilor electronice excitate. Dacă energia este radiația electromagnetică care rezultă din relaxarea stare excitată, este în ultraviolet, spectrul vizibil sau infraroșu, un fenomen numit cathodoluminescence (CL). Când emisia de electroni a unui sistem foton se deplasează de la (non-echilibru) starea inițială la starea finală. Starea finală poate fi atât echilibru și neechilibru. În al doilea caz este posibil radiații în trepte. Prin natura starea inițială și finală a sistemului în timpul radiații sunt de trei tipuri de bază de cathodoluminescence:
· Zona de tranziție CR-zone
· Tranzițiile CR care implică niveluri în interiorul benzii
· Tranzițiile CR în interiorul centrelor emițătoare izolate (intracenter tranziții)
Zona Treceri zone. Emisie are loc prin recombinare benzilor Purtătorii de valență și conducta de neechilibru. Recombinarea pot apărea stări care implică excitonilor (Fig. 7 a). După cum se poate deriva și medii de difuzie regiunea CL va fi mai mare decât zona de interacțiune cu fascicul de electroni cu proba. Energia fotonului emisă este determinată de diferența de bandă. Deoarece electronii interesant posedă în plus pulsul energiei, transportatorii neechilibru apar în zone de proximitate, ceea ce conduce la materiale direct-gap în apariția de fotoni cu o energie diferită de energia de tranziție directă. Cathodoluminescence datorita band-to-band tranziții, depinde semnificativ asupra eșantionului (expresia lărgirea liniei efectelor de excitoni și D. ca.) Temperatura.
Tranzițiile care implică niveluri din decalajul de banda. Radiația poate să apară ca urmare a trei tipuri de tranziții:
· Banda de conductie - nivelul defect (Figura 7 c.)
· Tranziția între două niveluri defecte (Fig. 7 b, d)
· Nivelul Defect - banda de valență (Figura 7 e.)
Deoarece nivelele de defect Decolarea dependente de temperatură, TC poate varia în mod considerabil, la diferite temperaturi ale eșantionului.
Tranzițiile în centrele de radiind izolate (intracenter tranziții). Emisie se produce ca urmare a tranziției între state (niveluri) în același defect (impurități) (Fig. 7 f). Acest defect este numit un centru radiant. În cazul în care centrele de emisie au fost în mod deliberat introduse în materialul, acestea sunt numite activatori. caracterul CR depinde de proprietățile defectului în tranziție care emit centru (structura electronică) și matricea (substanță) în care este localizată. În unele cazuri, efectul matricei este neglijabil.
Trebuie remarcat faptul că, în acele cazuri în care este posibil derivei și difuzarea de stări excitate (purtători) pentru CR afectează recombinare de suprafață. Prezența recombinare de suprafață conduce la o ieșire de purtători la suprafață și recombinare non-radiativă. Acest lucru conduce la următoarele efecte:
· Reduce dimensiunea regiunii de generare
· Scade intensitatea CR
· Straturile de suprafață scade durata de viață a transportatorilor neechilibru
Cathodoluminescence ca metodă de cercetare
Cathodoluminescence ca metodă de investigare a diferitelor obiecte stă într-un rând cu alte metode spectroscopice, cum ar fi fotoluminescență, și așa mai departe. G. Metoda CL are o arie largă aplicare și este de avantaje fata de metodele traditionale îmbucurătoare.
permis de studiu Cathodoluminescent pentru a studia:
· Lacune Band;
· Prezența și tipul de impurități;
· Prezența defectelor structurale;
· Valence de impurități luminescente;
· Impuritatile simetrie locală;
· Proprietăți de transport in structuri multistrat, și altele.
Metoda CL are următoarele avantaje:
· Metoda este locală. Fasciculul de electroni poate fi concentrat la 0,1 microni. În aceste condiții rezoluția metodei este determinată de dimensiunea laterală a câmpului generării cathodoluminescence, mai degrabă decât diametrul fasciculului de electroni.
· Metoda permite de a explora structura bandă largă de materiale. Treceri zona # 8209; zonă poate fi excitat în acele materiale, care sunt necesare pentru ultraviolet photoexcitation vid (care este o provocare punct de vedere tehnic). Deoarece energia fasciculului de electroni este de mai multe ordine de mărime mai mare decât lățimea de bandă interzisă, diferența principală dintre excitație și materialele semiconductoare shirikozonnyh au CL.
· Sensibilitate ridicată. Chiar și o concentrație mică de impurități luminescente sau defecte contribuie la spectrul CL.
· Abilitatea de a examinării vizuale. Observarea KL în fascicul de electroni larg (defocused), este posibil de a vizualiza distribuția spațială a defectelor, și deci faza. D.
· Înaltă densitate de energie de excitație și posibilitatea schimbării sale de mai multe ordine permite investigarea efectelor neliniare (de exemplu, CL saturație intensitate).
· Capacitatea de a studia dinamica acumularea și focul. Spre deosebire de fotoluminescentei la schimbarea duratei impulsului de excitație schimbă partea frontală nu se produce.
· Abilitatea de a explora proprietățile obokta la diferite adâncimi. Atunci când schimbarea de energie a electronilor (tensiune de accelerare) variază în adâncimea penetrării lor în eșantion. În cazul structurilor multistrat care studiază variația energiei fasciculului de electroni permite studierea caracteristicilor straturilor de luminescență situate la diferite adâncimi, și transportul purtătorilor de sarcină
· Capacitatea de a studia conditiile de subsol.
· Abilitatea de a excita în mod eficient zonele de proximitate.
Dezavantajele metodei includ:
· Imposibilitatea de excitație selectivă. Atunci când excitate de un fascicul de electroni excitat de toate tranzițiile posibile.
· Încălzirea eșantionului. Pentru probe cu încălzire conductor termic scăzut poate fi semnificativ (mii de grade). Pentru materiale semiconductoare în condiții tipice de funcționare este de încălzire nesemnificativă (10 ° C -15 ° C).
· Degradării probei din cauza căldurii sau a rupe legăturile electroni fascicul. Pentru cele mai multe materiale în condiții tipice de funcționare, acest efect nu este observat.
· Nevoia de preparare a probei, în cazul, în cazul în care proba este slab conductor. Trebuie să fie aplicat pe folia conductoare de probă (de exemplu, stratul de cărbune pulverizat), pentru descărcarea încărcăturii aduse de un fascicul de electroni.
Experimentele au fost efectuate la instalația, care servește drept bază pentru e-coloană cu raze X microsondă „CAMEBAX“ ( „Cameca“ producția fermă). Prin coloană conectat spectrometru optic (Fig.8) conectat la unitatea de control și de automatizare.
Metoda cea mai utilizată este prepararea spectrelor cathodoluminescence regimului staționar. In acest mod, un eșantion este iradiat în mod continuu cu un fascicul de electroni. scanare a spectrului se realizează prin rotirea grilajul cu un număr predeterminat de trepte, după care semnalul este citit de fotomultiplicatorul în modul de numărare de fotoni. Software-ul poate seta intervalul de scanare, pasul de scanare (numărul maxim de pași 26000 în domeniul spectral 280-850 nm) și expunerea (numărul de impulsuri timp de citire).
Fig. 8. optice spectrometru schema cathodoluminescent.
(Nu la scară).
1. Coloana microanalyzer