Catodoluminiscencia - Cathodoluminescence

Catodoluminiscencia de color de un diamante en SEM , colores reales

La catodoluminiscencia es un fenómeno óptico y electromagnético en el que los electrones que impactan sobre un material luminiscente , como un fósforo , provocan la emisión de fotones que pueden tener longitudes de onda en el espectro visible . Un ejemplo familiar es la generación de luz mediante un haz de electrones que escanea la superficie interior revestida de fósforo de la pantalla de un televisor que utiliza un tubo de rayos catódicos . La catodoluminiscencia es la inversa del efecto fotoeléctrico , en el que la emisión de electrones es inducida por irradiación con fotones.

Origen

Esquema de un sistema de catodoluminiscencia: el haz de electrones pasa a través de una pequeña abertura en el espejo parabólico que recoge la luz y la refleja en el espectrómetro . Se puede utilizar un dispositivo de carga acoplada (CCD) o un fotomultiplicador (PMT) para la detección en paralelo o monocromática, respectivamente. Se puede registrar simultáneamente una señal de corriente inducida por haz de electrones (EBIC).

La luminiscencia en un semiconductor se produce cuando un electrón en la banda de conducción se recombina con un agujero en la banda de valencia. La diferencia de energía (banda prohibida) de esta transición se puede emitir en forma de fotón . La energía (color) del fotón y la probabilidad de que se emita un fotón y no un fonón dependen del material, su pureza y la presencia de defectos. Primero, el electrón debe excitarse desde la banda de valencia hacia la banda de conducción . En la catodoluminiscencia, esto ocurre como resultado de la incidencia de un haz de electrones de alta energía en un semiconductor . Sin embargo, estos electrones primarios transportan demasiada energía para excitar directamente a los electrones. En cambio, la dispersión inelástica de los electrones primarios en el cristal conduce a la emisión de electrones secundarios , electrones Auger y rayos X , que a su vez también pueden dispersarse. Tal una cascada de acontecimientos de dispersión conduce a hasta 10 3 electrones secundarios por electrón incidente. Estos electrones secundarios pueden excitar los electrones de valencia hacia la banda de conducción cuando tienen una energía cinética aproximadamente tres veces la energía de la banda prohibida del material . A partir de ahí, el electrón se recombina con un agujero en la banda de valencia y crea un fotón. El exceso de energía se transfiere a fonones y, por lo tanto, calienta la red. Una de las ventajas de la excitación con un haz de electrones es que la energía de la banda prohibida de los materiales que se investigan no está limitada por la energía de la luz incidente como en el caso de la fotoluminiscencia . Por tanto, en la catodoluminiscencia, el "semiconductor" examinado puede ser, de hecho, casi cualquier material no metálico. En términos de estructura de bandas , los semiconductores clásicos, aislantes, cerámicas, piedras preciosas, minerales y vidrios pueden tratarse de la misma manera.

Microscopía

Superposición de catodoluminiscencia de color en la imagen SEM de un policristal de InGaN . Los canales azul y verde representan colores reales, el canal rojo corresponde a la emisión de UV.

En geología , mineralogía , ciencia de materiales e ingeniería de semiconductores , se puede utilizar un microscopio electrónico de barrido (SEM) equipado con un detector de catodoluminiscencia o un microscopio óptico de catodoluminiscencia para examinar las estructuras internas de semiconductores, rocas, cerámica , vidrio , etc. en orden para obtener información sobre la composición, crecimiento y calidad del material.

En un microscopio electrónico de barrido

En estos instrumentos, un haz de electrones enfocado incide en una muestra y la induce a emitir luz que es recogida por un sistema óptico, como un espejo elíptico. A partir de ahí, una fibra óptica transferirá la luz fuera del microscopio donde se separa en sus longitudes de onda componentes por un monocromador y luego se detecta con un tubo fotomultiplicador . Al escanear el haz del microscopio en un patrón XY y medir la luz emitida con el haz en cada punto, se puede obtener un mapa de la actividad óptica de la muestra (imagen de catodoluminiscencia). En cambio, midiendo la dependencia de la longitud de onda para un punto fijo o un área determinada, se pueden registrar las características espectrales (espectroscopía de catodoluminiscencia). Además, si el tubo fotomultiplicador se reemplaza por una cámara CCD , se puede medir un espectro completo en cada punto de un mapa ( imagen hiperespectral ). Además, las propiedades ópticas de un objeto pueden correlacionarse con las propiedades estructurales observadas con el microscopio electrónico.

Las principales ventajas de la técnica basada en microscopio electrónico es su resolución espacial. En un microscopio electrónico de barrido, la resolución alcanzable es del orden de unos diez nanómetros, mientras que en un microscopio electrónico de transmisión (de barrido) (TEM), se pueden resolver características de tamaño nanométrico. Además, es posible realizar mediciones de resolución temporal de nanosegundos a picosegundos si el haz de electrones se puede "cortar" en pulsos de nano o pico segundos mediante un oscurecedor de haz o con una fuente de electrones pulsada. Estas técnicas avanzadas son útiles para examinar estructuras semiconductoras de baja dimensión, como pozos cuánticos o puntos cuánticos .

Mientras que un microscopio electrónico con un detector de catodoluminiscencia proporciona un gran aumento, un microscopio óptico de catodoluminiscencia se beneficia de su capacidad para mostrar características de color visibles reales directamente a través del ocular. Los sistemas desarrollados más recientemente intentan combinar un microscopio óptico y uno electrónico para aprovechar ambas técnicas.

Aplicaciones extendidas

Aunque los semiconductores de banda prohibida directos como GaAs o GaN se examinan más fácilmente mediante estas técnicas, los semiconductores indirectos como el silicio también emiten una débil catodoluminiscencia y también pueden examinarse. En particular, la luminiscencia del silicio dislocado es diferente del silicio intrínseco y puede usarse para mapear defectos en circuitos integrados .

Recientemente, la catodoluminiscencia realizada en microscopios electrónicos también se está utilizando para estudiar resonancias de plasmones superficiales en nanopartículas metálicas . Los plasmones de superficie en nanopartículas metálicas pueden absorber y emitir luz, aunque el proceso es diferente al de los semiconductores. De manera similar, la catodoluminiscencia se ha aprovechado como una sonda para mapear la densidad local de estados de cristales fotónicos dieléctricos planos y materiales fotónicos nanoestructurados.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos