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阴极射线发光分析方法及其在新材料研究中的应用

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阴极射线发光分析方法及其在新材料研究中的应用傅竹西吴自勤摘要：阴极射线发光分析方法是研究材料的结构和能态的重要手段.近年来，这种分析方法的灵敏度和功能等都获得很大改善，特别是在扫描电镜中，将阴极射线发光、二次电子、背散射电子和X射线特征谱等结合起来形成的综合测量方法，成为研究材料结构和微区性质的有力工具.文章介绍阴极射线发光分析方法的基本原理及其在GaN，SiC,ZnO和量子线等新材料研究中的应用实例.关键词：阴极射线发光，分析方法，新材料CATHODOLUMINESCENCE ANALYSIS AND ITSAPPLICATIONS IN NEW MATERIALSFU Zhu-Xi（Structure Research Laboratory, Chinese Academy of Sciences;Departmentof Physics,University of Science and Technology of China Hefei 230026）WU Zi-Qin（Fundamental Physics Center, University of Science and Technology ofChina, Hefei 230026）Abstract：Cathodoluminescence(CL) is an important experimental method for analysing the structure, density of states and defects of crystals. The CL combined with secondary electrons, back-scattering electrons and X-ray spectra in scanning electron microscopy can reveal the spectral and spatial distribution of light emission centers. This is of great use in the characterization of the structure, density of states, defects and impurities of samples in micro zones. The fundamental principle of CL analysis and its applications in research of new materials, such as GaN, SiC, ZnO and quantum wires are reviewed.Key words：cathodoluminescence, analysis method, new materials▲1 引言材料的物理性质与它们的晶体结构、组分、杂质和缺陷的分布及能级状态等密切相关，尤其对某些半导体材料，结构特性的微区变化及杂质和缺陷(填隙和空位)的非均匀分布等都会极大地改变材料的功能，因此，建立精密的结构分析手段和微米尺度内结构和缺陷的测量方法是材料科学的重要研究内容之一.电子显微方法是研究材料微结构性质的重要手段［1］，阴极射线发光(CL)就是其中一种极其有用的材料分析方法.早期的阴极射线发光测量受到灵敏度和单一功能的限制，只能用于分析发光强度较高的材料.随着测量技术的提高，CL分析方法有了长足的发展，同时它还与扫描电镜图像测量结合起来形成一种综合测量技术，成为分析材料微区性质的有力工具.CL技术不仅在以往的材料分析中发挥了重要作用，而且在GaN,SiC,ZnO以及量子阱和量子线等一系列新材料的结构和缺陷的研究中同样做出了很大的贡献.2 阴极射线发光分析原理和装置某些半导体或电介质在高能电子束激发下发光的现象称为阴极射线发光.根据电子束能量和样品种类的不同，高能电子束照射到样品上后可穿透几十nm到十几μm的深度，通过和晶格的碰撞使样品的原子离化，产生如图1所示的电子跃迁.高能电子束可以激发出导带电子和价带空穴，这些自由运动的带电粒子——载流子在运动过程中有可能被晶体中某些深能级俘获，形成无辐射跃迁；也有可能通过电子-空穴的复合产生发光跃迁(即CL)，它不仅包含带边跃迁，还包括禁带中由空位、填隙杂质原子或其他缺陷所形成的附加能级之间的跃迁.因而，CL光谱可以反映产生辐射跃迁的能级结构及电子的跃迁过程和跃迁几率等，同时，高能电子束还能激发样品原子的内壳层电子，从而产生X射线特征谱.图1 阴极射线激发的电子跃迁与光致发光(PL)相比，高能电子碰撞离化的方式更容易激发出电子和空穴，某些看不到光致发光的材料可以产生阴极射线发光；由于电子的能量大于光子的能量(hν)，所以CL能够揭示禁带宽度从6eV到0.6eV 范围内的能带结构，有利于研究绝缘介质等具有极宽禁带的材料；而电子束的聚焦本领远大于光束的聚焦本领，所以CL与PL相比，可以观测更小尺寸范围内材料的微区性质；另外，高能电子束激发的X射线特征谱可用来辨别材料的组分.随着测量技术的进展，低温和瞬态光谱测量方法被引入CL中，使CL分析方法具备了更强大的功能［2］.观察CL需要特殊的真空系统和产生电子束的装置.而扫描电镜(SEM)具备CL装置的基本条件，只要增加一些附件，就可将背散射电子(BSE)、二次电子(SE)和X射线探测等多种功能与CL测量结合起来，同时进行样品的形貌、组分和光谱检测，得到发光中心的光谱分布和空间分布，并由此分析样品表面层中微区的结构、杂质和缺陷的组成及分布等信息，这种CL综合测量技术成为材料微结构分析的重要工具.图2是一种改进后的SEM装置示意图.图2 一种改进了的SEM装置示意图3 CL在研究新材料中的应用近年来，诸如GaN,SiC,ZnO,金刚石薄膜以及量子阱、量子线等一系列新材料相继发展起来，在这些材料的研究中，CL都发挥了重要作用.下面介绍几个应用实例.3.1 研究氮基化合物半导体的能带结构在化合物半导体材料的研究中，理论和实验都表明材料的禁带宽度与混晶比有关.我国曾有人通过测量CL光谱峰值的变化得出了Ga1-x AlxAs,GaAs1-xPx等材料的禁带宽度与混晶比的关系［3］.近年来，Ⅲ-Ⅴ族氮基化合物半导体的研究引起人们广泛的关注，利用Al-Ga-N系列已制备出蓝色发光二极管和激光二极管.室温下Al1-x GaxN化合物半导体的禁带宽度随x值不同可取3.4—6.2eV范围内的不同值.有人测量了CL峰值波长与混晶比之间的关系(见图3)，证明实验与理论能很好地相符.图3 不同混晶比下Alx Ga1-xN的CL光谱3.2 利用CL光谱判别SiC外延生长中的不同结晶形式用液相外延生长SiC薄膜时，除了基片上生长有一层SiC膜外，熔融的Si表面还生成一些黄色的针状晶体.分别测量它们的CL光谱后发现，外延膜的CL光谱峰值为430nm，正好对应6H-SiC的禁带宽度2.88eV；而黄色针状晶体的CL光谱峰值是550nm，对应的禁带宽度为2.25eV，表明其为3C-SiC,由此分辨出SiC液相外延中生成的两种不同结晶形式.3.3 测量掺氮金刚石薄膜中的载流子浓度不同杂质的载流子复合时在CL中产生不同的光谱峰，因此可通过测量CL峰值波长及不同峰之间强度比的变化来判断晶体中载流子的种类及掺杂浓度的变化［4］.特别是在对掺氮金刚石薄膜的研究中，CL方法克服了金刚石发光弱、很难用PL光谱研究的缺陷.图4是用微波等离子体CVD方法制备的三种不同掺氮浓度的金刚石薄膜的CL光谱［5］.实验中观察到三个光谱峰：晶格中的空位形成能量为1.67eV的窄峰，电子从施主能级到价带顶和从导带底到受主能级的跃迁分别产生2.8eV和2.3eV附近的两个光谱峰.可以看到，随着施主N浓度的提高，CL光谱中2.8eV 谱峰对2.3eV谱峰的强度之比相应提高.图4 不同掺氮浓度金刚石薄膜的CL光谱利用CL光谱的波长和发光强度来判断载流子浓度的方法与其他分析方法(例如X射线分析方法)相比，CL的空间分辨率要高得多.3.4 研究ZnO薄膜中发光中心的电子跃迁过程ZnO薄膜的紫外光发射是1997年首次报道的.由于它波长短，而且生长温度低于500℃，是一种很有发展前景的新型光发射材料.我们测量了用直流反应溅射方法在Si基片上淀积的ZnO薄膜的CL 光谱［6—8］，其中峰值为392nm的紫峰对应于ZnO薄膜中的带边跃迁；而峰值波长522nm的绿峰则反映了由氧空位组成的施主和锌空位组成的受主之间的跃迁；蓝峰(波长约为435nm)判断为电子由导带底到受主和施主到价带顶的跃迁所产生的.深入研究发现，当改变激发电子束流的密度时，不同谱峰的强度分别产生如图5所示的不同变化.这一结果进一步证明了各个峰对应的电子跃迁过程.因为产生绿峰的施主和受主的浓度是由制备条件决定的，在高能电子激发下施主和受主很快被完全离化，所以施主和受主复合产生的发光很快趋于饱和；由于ZnO中存在室温激子，当导带电子和价带空穴的浓度随激发电子束流增加而不断增加时，形成激子的概率随之增加，使发光强度超线性增加，这正是紫峰强度随激发电子束流的变化规律，说明紫峰来源于导带和价带间激子的复合；蓝峰来源于施主、受主和能带中载流子的复合，因而呈现近线性增强.图5 ZnO薄膜中CL激发电子束流与发光峰强度的关系3.5 V型沟道GaAs基片上的量子线生长特性研究CL方法是研究半导体界面特性的重要方法［9］，目前更被用来研究量子阱和量子线等材料的生长特性.Wugen Pan［10—12］等人在表面刻蚀成V型沟道的GaAs(100)基片上用MOCVD方法淀积AlGaAs／GaAs多层膜，由于沟道底、顶和侧面的薄膜淀积状况不同，从而在V型沟道底生长出量子线.他们观察了样品的低温(6K)CL光谱(图6)后，看到沟道不同部位外延层生长状况的明显差别，图6(a)中的二次电子图像清楚地显示出样品截面的形状，其余四图为沟道不同部位的CL图像，沟道斜侧面发出能量为1.984eV的光，沟道顶部的发光能量为1.953eV,侧面与顶面交界的边缘部位为1.893eV，而沟道底部为1.830eV，这一结果反映了Al含量在上述不同部位依次从高到低的排列.图6 V型沟道AlGaAs／GaAs量子线外延生长的CL特性3.6 热处理对MgO晶体中位错的影响利用SEM中CL+BSE综合测量技术，Nazarova等人研究了退火对MgO 晶体中缺陷的影响［13］.他们用显微硬度计在MgO晶体上制造出方形锥状凹坑，凹坑由顶端很小的垂直挤压区和外围侧壁的位错带组成.通过CL+BSE测量不仅可以清楚地看到凹坑的形貌，并可同时确定样品凹坑中不同部位的CL发光.测量结果发现，样品在氢气中650K退火7min后的CL发光充满整个凹坑的区域，且外围位错带内的发光强度大于压痕顶端处的光强；当样品退火温度增加到1000K后，顶端压痕中的发光在很宽的光谱范围内被增强，而侧壁位错带内的CL淬灭，表明位错带消失.分析认为，这是由于650K接近MgO脆性-塑性转变温度，在此温度以上很容易形成二次滑移系统，不同的结构缺陷通过交滑移呈弥散分布而使晶体具有更大的塑性［14］.3.7 光纤中的结晶性质利用SEM综合测量技术测量光纤芯线和包覆层中Si和Ge元素的特征X射线谱，结果表明，Ge在芯线和包覆层中的浓度基本相同，而400nm 的CL图像则显示出芯线的发光强度小于包覆层中的发光强度，这说明了氧化锗在芯线和包覆层中具有不同的结晶形态.该结果即将发表.4 结论阴极射线发光是材料分析的有力手段，除了常规方法以外，在扫描电镜中，将CL与BSE，SE和特征X射线等测量方法结合起来，形成一种综合测量技术，简化了对不同种类材料的观测、实验解释和分析，有利于对材料微区性质的研究.CL方法不仅可以研究材料的晶体结构和能态，也可以研究位错和缺陷等微区性质，以及由于热处理产生的力学、光学和发光特性的变化.CL方法不仅在以往的材料研究中发挥了重要的作用，而且在一系列新材料的研究中同样起到重要作用，并取得一系列有意义的结果.■基金项目：国家自然科学基金、安徽省自然科学基金资助项目作者单位：傅竹西（中国科学院结构分析开放实验室；中国科学技术大学物理系合肥230026）吴自勤（中国科学技术大学基础物理中心合肥230026）参考文献：［1］汤洪高.电子显微学新进展.合肥：中国科学技术大学出版社，1996［TANG Hong-Gao.Recent Progress of Electron-probe Microanalysis.Publishing House of the University of Science and Technology of China.1996(in Chinese)］［2］李成基，李韫言.分析测试技术与仪器，1992，1：32—37［LI Cheng-Ji,LI Yun-Yan.Techniques and Instruments of Analysis and Measurement.1992,1:32-37(in Chinese)］［3］李成基等.Ga1-x AlxAs和GaAs1-xPx的电子探针分析.第二届全国砷化镓会议文集.1977.215—218［LI Cheng-Ji et al.Analysis of Electron-probe for Ga1-xAl）As and GaAs1-xPx.Proceedings of the Second National Conference on GaAs.1977.215-218(in Chinese)［4］李成基等.金属材料研究，1976，4(7)：505—510［LI Cheng-Ji et al.Research of Metal Materials.1976,4(7):505—510(in Chinese)］［5］Yasushi Muranaka,Hisao Yamashita, Hiroshi Miyadera. Thin Solid Films,1991,199：299—311［6］FU Zhu-Xi, LIN Bi-Xia, LIAO Gui-Hong et al. J. Crystal Growth, 1998,193:316—321［7］FU Zhu-Xi, GUO Chang-Xin, LIN Bi-Xia et al. Chin. Phys. Lett.,1998,15:457—459［8］GUO Chang-Xin, FU Zhu-Xi, SHI Chao-Shu. Chin. Phys. Lett., 1999,16:146［9］Bimberg D et al.Vac.Sci.Technol.,1987,JB5:1191—1197 ［10］PAN Wu-Gen, Hiroyuki Yaguchi, Kentaro Onabe et al. J. Crystal Growth,1994,145:702—706［11］PAN Wu-Gen, Hiroyuki Yaguchi, Kentaro Onabe et al. Appl. Phys. Lett., 1995,67：959—961［12］PAN Wu-Gen, Hiroyuki Yaguchi, Kentaro Onabe et al. J. Crystal Growth, 1996,158：205—209［13］Nazarova T A, Saparin G V, Obyden S K et al. Scanning, 1997,19:48—54［14］Nazarova T A, Nazarov M V. England, Philosophical Magazine A, 1996,74(5)：1311—1318。

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阴极发光原理

阴极发光原理

阴极发光原理阴极发光原理是一种通过电子激发发光的现象，广泛应用于显示技术和照明领域。

了解阴极发光原理对于理解现代电子技术和光电子学有着重要意义。

首先，我们来看一下阴极发光的基本原理。

阴极发光是通过电子在材料表面碰撞激发原子或分子，使其处于激发态，当这些激发态的原子或分子退激发到基态时，会释放出光子，产生发光现象。

这种现象广泛应用于发光二极管（LED）和有机发光二极管（OLED）等光电子器件中。

其次，阴极发光的原理可以通过不同的材料和结构实现。

在LED中，常用的材料有氮化镓（GaN）、磷化铝（AlInP）等，不同的材料可以发出不同颜色的光。

而在OLED中，采用有机分子作为发光层，通过有机分子的电子激发来实现发光。

此外，还有一些新型的阴极发光材料和结构不断被研究和应用，例如钙钛矿材料、量子点等，这些材料和结构的不断创新推动了阴极发光技术的发展。

此外，阴极发光的原理也与电子能级结构、载流子注入、复合和退激发过程等密切相关。

在LED中，通过外加电压使正负载流子注入活性层，激发发光材料中的电子和空穴，当它们复合时，就会释放出能量，产生光子。

而在OLED中，通过外加电压调控有机分子的电子能级，实现电子和空穴的注入和复合，从而产生发光。

最后，阴极发光原理的研究和应用在显示技术和照明领域有着广泛的应用。

LED作为一种高效、环保的照明光源，已经在室内照明、汽车照明、背光源等方面得到广泛应用。

而OLED作为一种柔性、高对比度的显示技术，已经在智能手机、电视、显示屏等领域得到了广泛的应用。

总之，阴极发光原理作为一种重要的光电子现象，其基本原理、材料和结构、电子能级结构以及应用都有着重要的意义。

通过对阴极发光原理的深入研究，可以推动光电子技术的发展，推动显示技术和照明技术的进步，为人类的生活带来更多的便利和舒适。

阴极发光技术在宝石鉴定中的应用

阴极发光技术在宝石鉴定中的应用

阴极发光技术在宝石鉴定中的应用摘要：阴极发光（CL）技术属于无损鉴定的方式，被大量的应用于宝石矿物鉴定和研究领域。

从宝石学的角度来说，阴极发光技术的贡献巨大，它是宝石鉴定的重要方式之一，利用阴极发光技术可以准确的判断天然宝石或者合成宝石，同时还可以判断出优化处理宝石，在区分外观相似的宝石材料方面也非常便捷快速。

本文主要分析阴极发光技术在单晶宝石材料中的应用。

关键词：阴极发光；单晶宝石；鉴定；应用从目前国内外的发展形势分析，研究者通过阴极发光技术，在矿物研究方面取得了很大的进步，随着科技的进步，阴极发光技术大量的使用到多个领域内。

阴极发光技术已经成为目前宝石鉴别的重要方法之一，利用这项技术可以准确的掌握研究者所需要的信息，进一步揭示出宝石内部蕴藏的奥秘。

在宝石学中，阴极发光技术应用是非常广泛的，可以有效的区别天然单晶宝石与合成单晶宝石，还可以优化处理单晶宝石，所使用范围比较广，是一种重要的单晶宝石无损鉴定方式。

1阴极发光技术原理利用阴极射线管发出的电子束轰击到矿物的表面，因为电子束的能量较高，可以直接转化成为光辐射能，这就是阴极发光。

在阴极射线管发射的电子束轰击矿物晶体时，矿物晶体的晶格会出现畸变的情况，晶体内部形成电子空穴，局部也会发生变化，同时也会以激发态的形式存在。

这些能量处于亚稳定状态的激发中心，能捕获电子从而形成发光中心。

2钻石的阴极发光特征及其应用天然钻石与合成钻石其生长环境有着很大的不同，内部生长结构也会有明显差异，这就使得天然钻石与合成钻石的阴极发光特点很不相同，这就是我们区分天然钻石和合成钻石的主要方式。

从实际情况分析，两者的区别是如下两点：（1）发光性。

在阴极发光的作用之下，天然钻石以蓝色荧光的状态存在，颜色分布较为均匀，有少数会出现黄色或者蓝白荧光，由于没有生长区的影响，这些荧光形态会有明显的不同，并且以不规则的形式存在。

在阴极发光的影响之下，合成钻石会以不同颜色的光出现，因为生长区的影响，形态会是多种结合图形，并且分布以规律性存在。

GaN基半导体材料的阴极荧光研究的开题报告

GaN基半导体材料的阴极荧光研究的开题报告

GaN基半导体材料的阴极荧光研究的开题报告
题目：GaN基半导体材料的阴极荧光研究
研究背景和意义：
阴极荧光技术是在粗糙表面上形成持久的亮点的方法，是半导体工艺和世界范围内照明和显示器件制造领域中最重要的技术之一。

高亮度，长寿命以及能在宽波长范围内发射的阴极荧光管，是采用阴极荧光技术的最重要设备。

此外，阴极荧光技术可以通过研究能帮助使用材料的微结构和表面性质的不同变化。

因此，研究GaN基半导体材料的阴极荧光具有重要的科学意义和实际应用价值。

研究目的：
本文旨在通过研究GaN基半导体材料的阴极荧光，探索其性质和应用，并提出一种新型的高度稳定和长寿命阴极荧光材料和设备。

研究内容和方法：
1.评估GaN基半导体材料作为阴极荧光材料的适用性和优势；
2.设计和制备GaN基阴极荧光材料，并评估其物理和化学性质；
3.利用扫描电子显微镜，荧光光谱仪，热重分析仪等多种仪器对GaN基半导体材料的结构、性质等进行表征和分析；
4.利用热处理、化学处理等方法改善材料的性质，提高其稳定性和寿命；
5.利用制备好的GaN基阴极荧光材料，制作出阴极荧光显示器件，并进行测试和性能评估。

预期成果和意义：
本论文研究出一种新型的高度稳定和长寿命阴极荧光材料和设备，可以用于制造高亮度、长寿命并能在宽波长范围内发射的阴极荧光管。

同时，该研究能更深入地认识GaN基半导体材料的结构、性质等，在半导体制造工艺和照明，显示器件制造等领域具有重要的应用价值。

阴极发光原理

阴极发光原理

阴极发光原理阴极发光是一种通过电子束激发物质发光的现象，它是许多电子器件和显示技术的基础原理之一。

阴极发光技术已经在许多领域得到广泛应用，如液晶显示器、发光二极管、场发射显示器等。

本文将介绍阴极发光的原理及其在各种应用中的作用。

阴极发光的原理基于电子激发物质发光的基本过程。

当电子束轰击物质表面时，会激发物质内部的原子或分子，使其跃迁到高能级。

当这些原子或分子回到低能级时，会释放出能量，产生光子，从而产生发光现象。

这种发光过程可以通过不同的材料和激发方式来实现，从而产生不同颜色和亮度的光。

在阴极发光器件中，通常采用的材料包括磷光体、有机发光材料、钙钛矿材料等。

这些材料在受到电子束激发后，可以产生不同颜色的发光。

而电子束的激发方式可以通过热阴极、冷阴极、场发射等方式来实现。

不同的激发方式和材料组合可以产生不同特性的发光效果，从而满足不同应用的需求。

在液晶显示器中，阴极发光被用来作为背光源，通过调节发光亮度和颜色来实现显示效果。

而在发光二极管中，阴极发光材料被直接激发来产生发光，从而实现高亮度、高对比度的显示效果。

在场发射显示器中，阴极发光被用来产生像素级的发光效果，从而实现高分辨率的显示。

除了显示技术，阴极发光还被广泛应用于照明、指示灯、广告等领域。

其高亮度、低功耗、长寿命等特点使其成为一种理想的光源。

而随着材料和工艺的不断进步，阴极发光技术将会在更多领域得到应用，为人们的生活带来更多便利和乐趣。

总的来说，阴极发光技术是一种基于电子激发物质发光的原理，通过不同材料和激发方式实现不同颜色和亮度的发光效果。

它在显示技术、照明、指示灯等领域都有着重要的应用价值，为人们的生活和工作带来了诸多便利。

随着技术的不断进步，阴极发光技术将会在更多领域展现其优越性能，为人类社会的发展做出更大的贡献。