カソードルミネッセンス

カソードルミネセンスは、電子が蛍光体などの発光材料に衝突して、可視スペクトルの波長を持つ光子を放出する光学的および電磁気的現象です。身近な例としては、ブラウン管を使用したテレビの画面の蛍光体でコーティングされた内面を電子ビームが走査することによって光が発生することが挙げられます。カソードルミネセンスは、光子の照射によって電子放出が誘発される 光電効果の逆です。

半導体の発光は、伝導帯の電子が価電子帯の正孔と再結合するときに発生します。この遷移の差エネルギー (バンドギャップ) は、光子の形で放出されます。光子のエネルギー (色) と、フォノンではなく光子が放出される確率は、材料、その純度、欠陥の存在によって異なります。まず、電子を価電子帯から伝導帯に励起する必要があります。カソードルミネセンスでは、高エネルギー電子ビームが半導体に衝突した結果としてこれが発生します。ただし、これらの一次電子は、電子を直接励起するには大きすぎるエネルギーを持っています。代わりに、結晶内での一次電子の非弾性散乱により、二次電子、オージェ電子、X 線が放出され、これらも散乱します。このような散乱イベントのカスケードにより、入射電子 1 個あたり最大 10 ^{3 個}の二次電子が発生します。 ^[1]これらの二次電子は、物質のバンドギャップエネルギーの約3倍の運動エネルギーを持つ場合、価電子を伝導帯に励起することができます。^[2]そこから電子は価電子帯の正孔と再結合し、光子を生成します。余分なエネルギーはフォノンに伝達され、格子を加熱します。電子ビームによる励起の利点の1つは、調査対象の物質のバンドギャップエネルギーが、フォトルミネッセンスの場合のように入射光のエネルギーによって制限されないことです。したがって、カソードルミネッセンスでは、調査対象の「半導体」は、実際にはほぼすべての非金属材料である可能性があります。バンド構造の点では、古典的な半導体、絶縁体、セラミック、宝石、鉱物、ガラスを同じように扱うことができます。 ${\displaystyle (E_{kin}\approx 3E_{g})}$

地質学、鉱物学、材料科学、半導体工学では、カソードルミネッセンス検出器を備えた走査型電子顕微鏡 (SEM)または光学カソードルミネッセンス顕微鏡を使用して、半導体、岩石、セラミック、ガラスなどの内部構造を調べ、材料の組成、成長、品質に関する情報を取得します。

カソードルミネッセンス( CL )顕微鏡は、通常の (光学)顕微鏡とブラウン管を組み合わせたものです。電子ビームを照射した固体の研磨された薄片の発光特性を画像化するように設計されています。

カソードルミネッセンス顕微鏡を使用すると、通常の光条件では見えない結晶や組織内の構造を可視化できます。これにより、たとえば鉱物の成長に関する貴重な情報を得ることができます。CL 顕微鏡は、地質学、鉱物学、材料科学の分野で、岩石、鉱物、火山灰、ガラス、セラミック、コンクリート、フライアッシュなど の調査に使用されます。

CL の色と強度は、サンプルの特性と電子銃の動作条件に依存します。ここでは、電子ビームの加速電圧とビーム電流が非常に重要です。今日、2 種類の CL 顕微鏡が使用されています。1 つはコロナ放電管によって電子ビームを生成する「冷陰極」を使用するもので、もう 1 つは「熱陰極」を使用してビームを生成します。冷陰極 CL 顕微鏡は、最もシンプルで経済的なタイプです。電子顕微鏡などの他の電子衝撃技術とは異なり、冷陰極発光顕微鏡は、電子とともに正イオンを提供し、表面電荷の蓄積を中和するため、試料に導電性コーティングを施す必要がありません。「熱陰極」タイプは、タングステン フィラメントを備えた電子銃によって電子ビームを生成します。熱陰極の利点は、正確に制御可能な高いビーム強度により、弱い発光材料 (石英など- 写真を参照) でも発光を刺激できることです。サンプルの帯電を防ぐために、表面を金またはカーボンの導電層でコーティングする必要があります。これは通常、スパッタ蒸着装置またはカーボンコーター によって行われます。

走査型電子顕微鏡では、集束した電子ビームがサンプルに当たり、サンプルから放出される光を楕円鏡などの光学系で集めます。そこから光ファイバーが光を顕微鏡の外に送り出し、そこでモノクロメータで各波長に分離して、光電子増倍管で検出します。顕微鏡のビームを XY パターンで走査し、各ポイントでビームから放出される光を測定することで、試料の光学活性のマップを取得できます (カソードルミネッセンス イメージング)。代わりに、固定ポイントまたは特定の領域の波長依存性を測定することで、スペクトル特性を記録できます (カソードルミネッセンス分光法)。さらに、光電子増倍管をCCD カメラに置き換えると、マップの各ポイントでスペクトル全体を測定できます (ハイパースペクトル イメージング)。さらに、物体の光学特性を、電子顕微鏡で観察された構造特性と相関させることができます。

電子顕微鏡ベースの技術の主な利点は、その空間分解能です。走査型電子顕微鏡では、達成可能な分解能は数十ナノメートルのオーダーです。^[3]一方、(走査型)透過型電子顕微鏡(TEM) では、ナノメートルサイズの特徴を解像できます。^[4]さらに、ビームブランカーまたはパルス電子源を使用して電子ビームをナノ秒またはピコ秒のパルスに「切り刻む」ことができれば、ナノ秒からピコ秒​​レベルの時間分解測定を実行できます。これらの高度な技術は、量子井戸や量子ドットなどの低次元半導体構造を調べるのに役立ちます。

カソードルミネッセンス検出器を備えた電子顕微鏡は高倍率を提供しますが、光学カソードルミネッセンス顕微鏡は、接眼レンズを通して実際の目に見える色の特徴を直接表示できるという利点があります。最近開発されたシステムでは、光学顕微鏡と電子顕微鏡の両方を組み合わせて、これらの両方の技術を活用しようとしています。^[5]

GaAsやGaNなどの直接バンドギャップ半導体はこれらの技術で最も簡単に検査できますが、シリコンなどの間接半導体も弱い陰極線ルミネッセンスを発するため、同様に検査できます。特に、転位シリコンのルミネッセンスは真性シリコンのルミネッセンスとは異なり、集積回路の欠陥をマッピングするために使用できます。

最近では、電子顕微鏡で行う陰極ルミネッセンスも金属ナノ粒子の表面プラズモン共鳴の研究に利用されている。^[6]金属ナノ粒子の表面プラズモンは光を吸収して放出することができるが、そのプロセスは半導体の場合とは異なる。同様に、陰極ルミネッセンスは平面誘電体フォトニック結晶やナノ構造フォトニック材料の局所状態密度をマッピングするためのプローブとして利用されている。 ^[7]

• 電子刺激発光
• 発光
• 光ルミネセンス
• 走査型電子顕微鏡

• Coenen, T. (2014).角度分解カソードルミネッセンスナノスコピー(論文). アムステルダム大学. hdl :11245/1.417564.
• 電子ビームがナノ構造を発光させる [PDF]、ES Reich、Nature 493、143 (2013)
• レーネマン、J. (2013)。ヘテロ構造を含むグループ III-V ナノワイヤーの発光(pdf) (博士論文)。ベルリンのフンボルト大学。
• Kuttge, M. (2009). カソードルミネッセンスプラズモン顕微鏡法(pdf) (論文). ユトレヒト大学.
• 走査型カソードルミネッセンス顕微鏡、CM Parish および PE Russell、Advances in Imaging and Electron Physics、V.147、 ed. PW Hawkes、P. 1 (2007)
• クイックルックカソードルミネッセンス分析と炭酸塩貯留層の解釈への影響。パリ盆地のジュラ紀中期の魚卵状岩貯留層の事例研究。Wayback Machineで 2018-09-25 にアーカイブ済み、B. Granier および C. Staffelbach (2009)
• 無機固体の陰極線ルミネッセンス顕微鏡法、BG Yacobi および DB Holt、ニューヨーク、Springer (1990)

• ポール・ドルード研究所の応用実験室時間分解陰極線ルミネッセンス分光法
• LumiSpy – Python による発光分光データ解析
• 高空間分解能カソードルミネッセンスに関する科学的成果は、2020年7月27日にWayback Machineにアーカイブされました。