 ：原理、仪器构成、结果示例)
发光通常被定义为电子激发物质发射辐射。该定义不包括白炽灯和轫致辐射等其他辐射发射机制。出于实验原因发光通常也仅限于紫外 (UV)/可见光/近红外 (IR) 波段的辐射。根据激发源的性质当使用光子作为激发源时发光被称为光致发光 (PL)当使用电流作为激发源时发光被称为电致发光 (EL)当使用化学反应作为激发源时发光被称为化学发光最后当使用高能电子束作为激发源时发光被称为阴极发光 (CL)。当使用点检测器测量阴极发光的光强度并将其绘制为样品上电子束位置的函数时该方法称为阴极发光成像。当将光作为其能量或波长的函数进行分析时这被称为阴极发光光谱。原理在非晶态物质气体、液体或玻璃中电子从外原子价电子层或分子轨道激发后可能会发射紫外、可见光或近红外光子。同样在半导体或绝缘晶体固体中电子从价带激发到导带在价带中留下空穴后可能会发射紫外、可见光或近红外光子图 1。随后电子弛豫至导带下限 (CBM)空穴弛豫至价带上限 (VBM)它们都在材料中扩散。最终它们重新结合能量 E 以频率为 ν Eh 的光的形式释放其中 h 是普朗克常数。图 1结晶固体中的阴极发光机制。除了带间复合之外载流子在材料内部还有其他辐射复合途径为了简单起见本文不作讨论。在阴极发光成像中所有辐射途径都会对测量的全色光强度产生影响。阴极发光光谱法研究材料发射光的强度与其波长或能量的关系。所得光谱的特征可以与样品内部的辐射电子跃迁关联从而深入了解材料的特性。仪器阴极发光的典型装置包括扫描电子束和光收集系统图2。收集到的光可以通过点探测器例如光电倍增管 (PMT)捕获以获得全色强度图像或者通过光谱仪进行分析以获得光谱或高光谱数据立方体。可以调节一次电子束的电压和电流以调整其在样品中的穿透深度和载流子生成率。可以选择光谱仪内部的衍射光栅以提供所需的波长范围和最佳效率。通常使用CCD相机同时记录一系列波长的强度。图 2阴极发光的示意图示例基于纳米线的MicroLEDGaInN/GaN多量子壳纳米线微发光二极管MicroLED是下一代显示器件的有力竞争者。利用CL超光谱成像技术可以对它们的发光特性进行详细表征。下图a和b展示了从顶部视角获取的结构的二次电子SE和全色CL强度图像。图c展示了整个图像的平均发射光谱。通过在不同波长范围通常在发射峰附近上积分发射强度可以得到不同的图像图d称为彩色带图像这些图像可以代表堆叠中的特定材料或一种材料的特定特性。GaInN/GaN微型发光二极管a扫描电子显微镜图像b全色光致发光图像c平均发光光谱以及 d彩色化波段光致发光图像。水平纳米线图 3b 突出显示了水平量子阱纳米线内两个发射不同波长或能量的区域。图 3b 中标记点处的发射光谱如图 3c 所示同时采集的 SE 图像如图 3a 所示。图4水平纳米线a) SE图像b) 叠加彩色带状图像b) 局部光谱。b) 中的颜色对应于c) 所示能量范围内的积分硅基氮化镓外延叠层硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 外延叠层应用广泛包括用于功率器件的高电子迁移率晶体管 (HEMT)。图 4 显示了在该叠层横截面上采集的阴极发光 (CL) 数据。图 4a 将图 4b 所示波长范围内积分的发射强度图像着色并叠加以获得单个彩色带状图像。暗色图案为穿透位错。图 4b 显示了图 4a 所示光斑的发射光谱。图 5在硅基 GaN 外延叠层横截面上采集的 CL 数据a) 彩色能带图像b) 局部光谱。硅基氮化镓中的穿线位错穿透位错 (TD) 是异质外延过程中在与衬底的界面处产生的一维扩展晶体学缺陷其走向大致平行于生长方向。由于靠近其核心的非辐射复合 (NRR) 速率增加它们在阴极发光全色图像中表现为暗点。图 5 中在硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 样品上观察到密度为 5.9×10 -8 cm -2的 TD 。图 6Si 上 GaN 样品的 CL 图像显示了穿透位错SiC中的堆垛层错图 6a 显示了 6H-SiC 粉末晶粒横截面中的堆垛层错。堆垛层错由位错界定由于位错核心附近的非辐射复合率 (NRR) 增加位错呈现为暗点。与块体 6H-SiC 的发射相比图 6b堆垛层错的发射波长发生了偏移。图76-H SiC粉末a) 彩色带CL图像b) 局部光谱。高浓度Mg掺杂GaN在图 7 中发射光谱的变化图 7b表示高掺杂 GaNMg 层内Mg Ga浓度的局部变化图 7a。图 8高浓度镁掺杂 GaNa) 彩色波段图像b) 光谱。b 中的光谱来自 a 中相同颜色的区域。a 中b 中所示波长范围内积分的强度已着色并叠加。钙钛矿层一些钙钛矿结构材料因其光伏特性而备受关注。图8显示钙钛矿层晶粒之间近带边NBE发射峰中心能量存在细微差异。图9钙钛矿层发射的NBE发射峰的中心能量。该图像是通过在每个像素处用高斯曲线拟合NBE峰获得的。图案化等离子体结构图9突出显示了不同形状的硅基纳米氮化钛结构中发射强度和波长的变化。这些变化是由金属内部自由电子云或等离子体的量子振荡引起的。图 10a) Si 等离子体结构上 TiN 的彩色带状阴极发光图像。蓝色对应于 400 nm 左右的发射红色对应于 700 nm 左右的发射。所有结构的尺寸比例相同。b) 最后一个结构的 SE 图像。α-MoO₃薄片α-MoO 3是一种宽带隙层状半导体。图 11a 和 b 分别展示了同时采集的 MoO 3片层叠加在 SiO 2 /Si 基底上的 SE 和 CL 图像。在图 11b 中650 nm 左右的 SiO 2发光被连续的 MoO 3层吸收从而形成了观察到的对比度。图12SiO2/Si基体上的α-MoO3薄片a) 正电子像b) 650nm波长附近的阴极发光像。
干货满满 | 阴极发光 (CL) ：原理、仪器构成、结果示例
发布时间：2026/7/6 14:48:14
发光通常被定义为电子激发物质发射辐射。该定义不包括白炽灯和轫致辐射等其他辐射发射机制。出于实验原因发光通常也仅限于紫外 (UV)/可见光/近红外 (IR) 波段的辐射。根据激发源的性质当使用光子作为激发源时发光被称为光致发光 (PL)当使用电流作为激发源时发光被称为电致发光 (EL)当使用化学反应作为激发源时发光被称为化学发光最后当使用高能电子束作为激发源时发光被称为阴极发光 (CL)。当使用点检测器测量阴极发光的光强度并将其绘制为样品上电子束位置的函数时该方法称为阴极发光成像。当将光作为其能量或波长的函数进行分析时这被称为阴极发光光谱。原理在非晶态物质气体、液体或玻璃中电子从外原子价电子层或分子轨道激发后可能会发射紫外、可见光或近红外光子。同样在半导体或绝缘晶体固体中电子从价带激发到导带在价带中留下空穴后可能会发射紫外、可见光或近红外光子图 1。随后电子弛豫至导带下限 (CBM)空穴弛豫至价带上限 (VBM)它们都在材料中扩散。最终它们重新结合能量 E 以频率为 ν Eh 的光的形式释放其中 h 是普朗克常数。图 1结晶固体中的阴极发光机制。除了带间复合之外载流子在材料内部还有其他辐射复合途径为了简单起见本文不作讨论。在阴极发光成像中所有辐射途径都会对测量的全色光强度产生影响。阴极发光光谱法研究材料发射光的强度与其波长或能量的关系。所得光谱的特征可以与样品内部的辐射电子跃迁关联从而深入了解材料的特性。仪器阴极发光的典型装置包括扫描电子束和光收集系统图2。收集到的光可以通过点探测器例如光电倍增管 (PMT)捕获以获得全色强度图像或者通过光谱仪进行分析以获得光谱或高光谱数据立方体。可以调节一次电子束的电压和电流以调整其在样品中的穿透深度和载流子生成率。可以选择光谱仪内部的衍射光栅以提供所需的波长范围和最佳效率。通常使用CCD相机同时记录一系列波长的强度。图 2阴极发光的示意图示例基于纳米线的MicroLEDGaInN/GaN多量子壳纳米线微发光二极管MicroLED是下一代显示器件的有力竞争者。利用CL超光谱成像技术可以对它们的发光特性进行详细表征。下图a和b展示了从顶部视角获取的结构的二次电子SE和全色CL强度图像。图c展示了整个图像的平均发射光谱。通过在不同波长范围通常在发射峰附近上积分发射强度可以得到不同的图像图d称为彩色带图像这些图像可以代表堆叠中的特定材料或一种材料的特定特性。GaInN/GaN微型发光二极管a扫描电子显微镜图像b全色光致发光图像c平均发光光谱以及 d彩色化波段光致发光图像。水平纳米线图 3b 突出显示了水平量子阱纳米线内两个发射不同波长或能量的区域。图 3b 中标记点处的发射光谱如图 3c 所示同时采集的 SE 图像如图 3a 所示。图4水平纳米线a) SE图像b) 叠加彩色带状图像b) 局部光谱。b) 中的颜色对应于c) 所示能量范围内的积分硅基氮化镓外延叠层硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 外延叠层应用广泛包括用于功率器件的高电子迁移率晶体管 (HEMT)。图 4 显示了在该叠层横截面上采集的阴极发光 (CL) 数据。图 4a 将图 4b 所示波长范围内积分的发射强度图像着色并叠加以获得单个彩色带状图像。暗色图案为穿透位错。图 4b 显示了图 4a 所示光斑的发射光谱。图 5在硅基 GaN 外延叠层横截面上采集的 CL 数据a) 彩色能带图像b) 局部光谱。硅基氮化镓中的穿线位错穿透位错 (TD) 是异质外延过程中在与衬底的界面处产生的一维扩展晶体学缺陷其走向大致平行于生长方向。由于靠近其核心的非辐射复合 (NRR) 速率增加它们在阴极发光全色图像中表现为暗点。图 5 中在硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 样品上观察到密度为 5.9×10 -8 cm -2的 TD 。图 6Si 上 GaN 样品的 CL 图像显示了穿透位错SiC中的堆垛层错图 6a 显示了 6H-SiC 粉末晶粒横截面中的堆垛层错。堆垛层错由位错界定由于位错核心附近的非辐射复合率 (NRR) 增加位错呈现为暗点。与块体 6H-SiC 的发射相比图 6b堆垛层错的发射波长发生了偏移。图76-H SiC粉末a) 彩色带CL图像b) 局部光谱。高浓度Mg掺杂GaN在图 7 中发射光谱的变化图 7b表示高掺杂 GaNMg 层内Mg Ga浓度的局部变化图 7a。图 8高浓度镁掺杂 GaNa) 彩色波段图像b) 光谱。b 中的光谱来自 a 中相同颜色的区域。a 中b 中所示波长范围内积分的强度已着色并叠加。钙钛矿层一些钙钛矿结构材料因其光伏特性而备受关注。图8显示钙钛矿层晶粒之间近带边NBE发射峰中心能量存在细微差异。图9钙钛矿层发射的NBE发射峰的中心能量。该图像是通过在每个像素处用高斯曲线拟合NBE峰获得的。图案化等离子体结构图9突出显示了不同形状的硅基纳米氮化钛结构中发射强度和波长的变化。这些变化是由金属内部自由电子云或等离子体的量子振荡引起的。图 10a) Si 等离子体结构上 TiN 的彩色带状阴极发光图像。蓝色对应于 400 nm 左右的发射红色对应于 700 nm 左右的发射。所有结构的尺寸比例相同。b) 最后一个结构的 SE 图像。α-MoO₃薄片α-MoO 3是一种宽带隙层状半导体。图 11a 和 b 分别展示了同时采集的 MoO 3片层叠加在 SiO 2 /Si 基底上的 SE 和 CL 图像。在图 11b 中650 nm 左右的 SiO 2发光被连续的 MoO 3层吸收从而形成了观察到的对比度。图12SiO2/Si基体上的α-MoO3薄片a) 正电子像b) 650nm波长附近的阴极发光像。
