음극 발광

음극 발광은 형광체와 같은 발광 물질에 충돌하는 전자가 가시 스펙트럼에서 파장을 가질 수 있는 광자의 방출을 일으키는 광학 및 전자기 현상이다.친숙한 예로는 브라운관을 사용하는 텔레비전 화면의 인광 코팅된 내부 표면을 스캔하는 전자 빔에 의한 빛의 발생이 있습니다.음극 발광은 광자 조사에 의해 전자 방출이 유도되는 광전 효과의 역행이다.

기원.

반도체 내 발광은 전도대역의 전자가 원자가대역의 구멍과 재결합할 때 발생한다.이 전이의 차이 에너지(밴드 갭)는 광자의 형태로 방출될 수 있다.광자의 에너지(색)와 포논이 아닌 광자가 방출될 확률은 재료, 순도 및 결함의 유무에 따라 달라집니다.첫째, 전자는 원자가대에서 전도대로 들뜨야 한다.음극발광에서 이는 고에너지 전자빔이 반도체에 충돌한 결과 발생합니다.그러나 이러한 1차 전자는 전자를 직접 자극하기에는 너무 많은 에너지를 운반한다.대신 결정에서 1차 전자의 비탄성 산란은 2차 전자, 오거 전자 및 X선의 방출로 이어지며, 이들 역시 산란할 수 있다.이러한 일련의 산란 현상은 입사 ^[1]전자당 최대³ 10개의 2차 전자로 이어집니다.이러한 2차 전자는 물질의${\displaystyle }$밴드 ${\displaystyle \mathrm{갭}}$ 에너지(${\displaystyle {\mathrm{E\_kin}}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {3E}_{}}$ g$)$의 약 3배의 운동 에너지를 가질 때 원자가 전자를 전도 대역으로 자극할 수 있습니다. ($E_{$kin$}\약 3E_${g$}). 여기$서 전자는$$^[2]원자가 대역의 구멍과 재결합하여 광자를 생성합니다.잉여 에너지는 포논으로 전달되어 격자를 가열합니다.전자빔에 의한 들뜸의 장점 중 하나는 조사대상물질의 밴드갭 에너지가 광발광의 경우와 같이 입사광의 에너지에 의해 제한되지 않는다는 것이다.따라서 음극 발광에서 검사되는 "반도체"는 사실상 거의 모든 비금속 물질일 수 있다.밴드 구조면에서도 고전적인 반도체, 절연체, 세라믹, 원석, 광물, 유리 등은 동일하게 취급할 수 있다.

현미경 검사

지질학, 광물학, 재료과학 및 반도체 공학에서는 조성, 성장 및 반도체 정보를 얻기 위해 음극 발광 검출기를 갖춘 주사 전자 현미경(SEM) 또는 광학 음극 발광 현미경을 사용하여 반도체, 암석, 세라믹스, 유리 등의 내부 구조를 조사할 수 있다.소재의 품질

주사 전자 현미경에서

이러한 기구에서 초점화된 전자 빔이 샘플에 충돌하여 타원 거울과 같은 광학 시스템에 의해 수집된 빛을 방출하도록 유도합니다.거기에서 광섬유는 현미경에서 빛을 전달하고, 여기서 단색기에 의해 성분 파장으로 분리된 후 광전자 증배관에 의해 검출된다.현미경의 빔을 X-Y 패턴으로 주사하여 각 지점에서 빔과 함께 방출되는 빛을 측정함으로써 시료의 광학활동 맵을 얻을 수 있다(카토루미네센스 화상).대신 고정점 또는 특정 면적의 파장 의존성을 측정함으로써 스펙트럼 특성을 기록할 수 있다(카토루미네센스 분광법).또한 광전자 증배관을 CCD 카메라로 대체하면 지도의 각 지점에서 전체 스펙트럼을 측정할 수 있다(초분광 이미징).또한 물체의 광학특성은 전자현미경으로 관찰된 구조적 특성과 상관할 수 있다.

전자 현미경 기반 기술의 주요 장점은 공간 분해능입니다.주사형 전자현미경에서 도달 가능한 분해능은 수 10나노미터 ^[3]정도이며, (스캔) 투과형 전자현미경(TEM)에서는 나노미터 크기의 특징을 ^[4]분해할 수 있다.또한 빔 블랭커 또는 펄스 전자원에 의해 전자빔을 나노초 또는 피코초 펄스로 "초핑"할 수 있는 경우 나노초에서 피코초 레벨의 시간 분해능 측정을 수행할 수 있습니다.이러한 고급 기술은 양자 우물이나 양자 도트와 같은 저차원 반도체 구조를 검사하는 데 유용합니다.

음극발광검출기를 갖춘 전자현미경은 고배율을 제공하는 반면 광학 음극발광현미경은 접안렌즈를 통해 실제 가시색 특징을 직접 보여줄 수 있다는 장점이 있다.보다 최근에 개발된 시스템은 광학 현미경과 전자 현미경을 결합하여 이 ^[5]두 가지 기술을 모두 활용하려고 합니다.

확장 응용 프로그램

GaAs나 GaN 등 다이렉트 밴드갭 반도체를 가장 쉽게 검사할 수 있지만 실리콘 등 간접반도체도 약한 음극발광을 방출해 검사도 가능하다.특히 전위실리콘의 발광은 고유실리콘과 달라 집적회로의 결함 매핑에 사용할 수 있다.

최근에는 금속 나노입자의 ^[6]표면 플라즈몬 공명 연구에도 전자현미경으로 수행되는 음극 발광 기술이 활용되고 있다.금속 나노 입자의 표면 플라스몬은 반도체와는 다른 공정이지만 빛을 흡수하고 방출할 수 있다.마찬가지로 음극 발광은 평면 유전체 광결정 및 나노 구조 광물질 ^[7]상태의 국소 밀도를 매핑하는 탐침으로 이용되어 왔다.

「 」를 참조해 주세요.

• 음극 발광 현미경
• 전자 자극 발광
• 발광
• 광발광
• 주사전자현미경법

레퍼런스

추가 정보

• Coenen, T. (2014). Angle-resolved cathodoluminescence nanoscopy (Thesis). University of Amsterdam. hdl:11245/1.417564.
• 전자빔이 나노구조를 부드럽게 설정[PDF], E. S. Reich, Nature 493, 143 (2013)
• Lähnemann, J. (2013). Luminescence of group-III-V nanowires containing heterostructures (pdf) (PhD Thesis). Humboldt-Universität zu Berlin.
• Kuttge, M. (2009). Cathodoluminescence plasmon microscopy (pdf) (Thesis). Utrecht University.
• 스캔 Cathodoluminesence Microscopy, C. M. Parisy 및 P. E. Russell, 영상 및 전자물리학의 진보, V.147, ED. P. W. Hawkes, P. 1 (2007)
• 캐소돌루미네센스 분석과 탄산염 저장소의 해석에 미치는 영향. Wayback Machine, B. Granier 및 C의 2018-09-25년 파리 유역의 쥬라기 중기의 저수지 사례 연구.Staffelbach (2009)
• 무기 고체의 음극 발광 현미경법, B. G. 야코비 및 D. B. 홀트, 뉴욕, 스프링거(1990)

외부 링크

• 높은 공간 분해능 음극 발광에 대한 과학적 결과