阴极发光 (CL)

从微观层面提供对材料化学和电子特性的独特见解。

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概述: 

什么是阴极发光?

阴极发光 (CL) 指材料受电子束刺激时发射光线。 

优势     用途     工作流程

扫描或扫描透射式电子显微镜(SEM 或 STEM)中的阴极发光是一种独特的工具,可描绘材料的成分以及光学和电子特性,然后将其与微纳米或亚纳米级的形态、显微结构、成分和化学特性相关联。

阴极发光显微术是针对材料受电子显微镜的电子束刺激时发光(发射光或光子)的分析;发光范围从紫外到红外波长范围。

阴极发光的发生原因是高能量电子束的冲击让样品进入激发态,促使样品在恢复基态时发射(阴极发光)光子。在半导体中,这一激发过程将导致电子从价带上升至导带,从而留下一个“空穴”。因此,当电子和空穴重新结合时,半导体将发射光子。

光子能量(彩色)和光子(非声子)的发射可能性取决于材料、材料纯度和内在缺陷。因此,要测量阴极发光,您可以检测几乎任何非金属材料。就带结构而言,传统半导体、绝缘体、陶瓷、宝石、矿石和玻璃都可以采取相同的处理方式。对于金属,样品可能是在表面等离子体的作用下激发的,当等离子体衰变时,可能会导致阴极发光光子发射。

相比于传统的光学显微镜,电子显微镜具有明显优势,因为光学显微镜的空间分辨率受限于基础物理学,只能达到约 200 – 300 nm(或光源波长的一半)。而借助电子显微镜,您可以将电子束聚焦于一个极小的点,因此可能提供亚纳米级的空间分辨率。您还可以使用样品发射的信号来揭示形态信息,例如大小和形状,以及成分、化学、晶体学、电子特性等等。既能从样品中获取大量信息,又能直接将该信息与发光(光谱)中的信息相关联 - 阴极发光可谓是名副其实的强大表征技术。

优势

功能 优势
揭示半导体材料的质量 实现最佳的材料和设备制造;测量位错密度
允许对光学材料和设备进行表征 允许以优于光衍射极限的空间分辨率研究光学特性 
揭示矿物结构 实现通过揭示微量元素分布对地球化学过程进行重建
同时测量形态和成分 全面描述样品,将样品形状、大小、结晶度或成分与其光学特性直接关联
消除对完整的设备制造的需求 能够以非破坏性的方式检测材料属性,无需完整的设备处理

 

用途

在极小长度尺度上进行光学特性表征对于许多科学研究和技术领域都十分关键。包括:

  • 发光二极管 (LED)
  • 纳米粒子
  • 石油和天然气
  • 光电和光伏材料
  • 磷光剂
  • 2D 材料
  • 矿物、玻璃、陶瓷和宝石
  • 药物
  • 聚合物
  • 贵金属(等离子体) 
  • 有机材料
  • 太阳能电池

 

电子与光电 – 在半导体中,您可以测量局部电子带间隙并揭示微/纳尺度的缺陷分布。借助该技术,您可以轻松检测阴极发光较强的直接带隙半导体,例如 GaAs 或 GaN,以及阴极发光较弱的间接半导体,例如硅。特别要指出的是,您可以利用位错和完美晶体硅之间的发光差别映射集成电路中的缺陷。此外,聚焦电子束提供的极高空间分辨率尤其适合您检查低维半导体结构,例如量子阱或量子点。
地球科学 – 在岩石和矿物中,观察微量元素化学和地球化学效应有助于您重建地质过程。可使用装有阴极发光探测器的 SEM 或者光学阴极发光显微镜来揭示采用其他技术无法观察到的内部结构,从而确定矿物的成分、生长和来源。
材料科学 – 正在基于光和金属纳米粒子的相互作用开发新的传感器和通信技术。您可通过表面等离子体和局部表面等离子体共振模式确定这些属性。近期的出版物介绍了研究人员利用电子显微镜中进行的阴极发光,以亚衍射极限分辨率研究金属纳米粒子中的表面等离子体共振。
有机分子 – 许多聚合物和活性药物成分被证明为可以阴极发光。发光标记取决于分子化学结构而非样品成分;因此阴极发光可用于以亚 100 nm 级空间分辨率快速映射有机分子分布。 

 

电子显微镜设置

电子束激发样品时,将导致样品靠近表面的区域发光。为收集上半球发射的阴极发光,通常会在样品和极片之间插入镜片。镜片形状经过特别设计,可将显微镜真空室发射的光线与光谱仪或光子探测器相耦合。对于薄样品,例如电子透明 TEM 样品,可能会在样品上方和下方放置镜片以收集两个半球发射的光。

当您以 X,Y 模式扫描显微镜的聚焦电子束,然后测量电子束每个点发射的光线时,您可以获得样品的光学活性图。这种基于电子显微镜的技术的主要优势在于,它能够以低至 1 nm 的分辨率解析特性并能将物体的光学特性与同时测量或至少使用同一仪器测量的结构、成分和化学特性相关联。 

样品发射的典型光级可能极低,通常需要您收集和检测尽可能多的光子。即使对于能够有效发射光线的样品,也务必要优化收集和检测光子的实验条件,尽可能减少光学损失,从而得到最高空间分辨率的结果。 

工作流程

为更好的了解阴极发光工作流程,应选择合适的电子显微镜为您的具体应用提供支持。

SEM          STEM

Research Spotlight

TEM team & collaborators from left to right: Dayne Swearer, Rowan Leary, Emilie Ringe, and Sadegh Yazdi.

The Ringe Group was established in 2014 in the department of Materials Science and NanoEngineering (MSNE) at Rice University, Houston...

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