阴极射线发光

阴极射线发光是一种光学和电磁现象，其中电子撞击荧光材料等发光材料，导致发射可能具有可见光谱波长的光子。 一个熟悉的例子是通过电子束扫描使用阴极射线管的电视机屏幕的磷涂层内表面来产生光。 阴极射线发光是光电效应的逆过程，其中电子发射是由光子照射引起的。

当导带中的电子与价带中的空穴重新结合时，半导体就会发光。 该跃迁的差能（带隙）可以以光子的形式发射。 光子的能量（颜色）以及发射光子而不是声子的概率取决于材料、其纯度和缺陷的存在。 首先，电子必须从价带被激发到导带。 在阴极发光中，这是高能电子束撞击半导体的结果。 然而，这些初级电子携带的能量太多，无法直接激发电子。 相反，初级电子在晶体中的非弹性散射会导致二次电子、俄歇电子和 X 射线的发射，而这些电子又会发生散射。 这种级联散射事件导致每个入射电子产生多达 103 个二次电子。 当这些二次电子的动能约为材料带隙能量的三倍时，它们可以将价电子激发到导带中 (E k i n ≈ 3 E g ) {\displaystyle (E_{kin}\approx 3E_{g })} 。 电子从那里与价带中的空穴重新结合并产生光子。 多余的能量转移到声子，从而加热晶格。 用电子束激发的优点之一是所研究材料的带隙能量不像光致发光那样受入射光能量的限制。 因此，在阴极发光中，所检测的半导体实际上几乎可以是任何非金属材料。 在能带结构方面，经典的半导体、绝缘体、陶瓷、宝石、矿物和玻璃都可以用同样的方法处理。

在地质学、矿物学、材料科学和半导体工程中，配备阴极发光检测器的扫描电子显微镜 (SEM) 或光学阴极发光显微镜可用于检查半导体、岩石、陶瓷、玻璃等的内部结构，以便 获取有关材料的成分、生长和质量的信息。

在这些仪器中，聚焦的电子束撞击样品并诱导其发射由光学系统（例如椭圆镜）收集的光。 从那里，光纤将光从显微镜中传输出来，在那里它被单色器分离成它的组成波长，然后用光电倍增管检测。 通过以 X-Y 模式扫描显微镜的光束并测量光束在每个点发出的光，可以获得标本的光学活动图（阴极发光成像）。 相反，通过测量固定点或特定区域的波长依赖性，可以记录光谱特性（阴极发光光谱）。 此外，如果用 CCD 相机代替光电倍增管，则可以在地图的每个点测量整个光谱（高光谱成像）。 此外，物体的光学特性可以与电子显微镜观察到的结构特性相关联。

基于电子显微镜的技术的主要优点是它的空间分辨率。 在扫描电子显微镜中，可达到的分辨率约为几十纳米，而在（扫描）透射电子显微镜 (TEM) 中，可以分辨纳米尺寸的特征。 此外，如果电子束可以通过光束阻断器或脉冲电子源斩波成纳秒或皮秒脉冲，则可以执行纳秒到皮秒级的时间分辨测量。 这些先进技术可用于检查低维半导体结构，例如量子阱或量子点。

虽然带有阴极发光检测器的电子显微镜可提供高放大倍率，但光学阴极发光显微镜的优势在于它能够直接通过目镜显示实际可见的颜色特征。 最近开发的系统试图将光学显微镜和电子显微镜结合起来，以利用这两种技术。

虽然直接带隙半导体如 GaAs 或 GaN 最容易用这些技术检查，但间接半导体如硅也会发射弱阴极。