Физическое материаловедение Люминесценция Техническая реализация Виды люминесценции

Физическое материаловедение Люминесценция Техническая реализация

Виды люминесценции материалов • Фотолюминесценция – свечение под действием фотонов • Катодолюминесценция – свечение под действием электронов • Ионолюминесценция – свечение под действием ионов • Электролюминесценция – свечение под действием электрического поля • Термолюминесценция – свечение при нагреве предварительно облученного материала • Лиолюминесценция – свечение предварительно облученного материала при растворении • Сонолюминесценция – «light from sound» • Механолюминесценция – люминесценция при механическом воздействии • Хемилюминесценция – эмиссия света при химических реакциях • Биолюминесценция – эмиссия света при биологических процессах

Фотолюминесценция Собственная люминесценция: Зона-зонная люминесценция Экситонная люминесценция Кросс-люминесценция M. Kobayashi Флуоресценция < 10 -3 с Фосфоресценция > 10 -3 с Несобственная люминесценция

Спектры ВУФ люминесценции твердого ксенона и криптона, измеренные при возбуждении фотонами. Измерения проводились на синхротроне DESY, Superlumi station.

Пример спектров фотолюминесценции

Взаимодействие пучка электронов с веществом BSE – обратное (резерфордовское) рассеяние, SE – вторичные электроны, CL – фотоны катодолюминесценции Энергетические потери на единицу длины d. E/ds = - 785(ρZ/AE)ln(b. E/J) э. В/Å ρ – плотность, Z – атомный номер, A – атомный вес, J – ионизационный потенциал, b – величина, близкая к 1

Электронные переходы в диэлектриках и полупроводниках а, b – переходы между зоной и локальным уровнем; c – экситонный переход, d – донорно-акцепторные переходы : hν = Eg – (EA + ED ) + (q 2 /εr) - (q 2 b 5 /εr 6 ) q – заряд, ε – диэлектрическая константа, b – ван дер Ваальсовский параметр, q 2 /εr – кулоновское взаимодействие пары, r – расстояние между донором и акцептором, q 2 b 5 /εr 6 – поляризационная энергия (ван дер Ваальсовская энергия взаимодействующих диполей)

Схема переходов в квантовой яме Экситонная эмиссия в квантовой яме Уровень энергии электрона зависит преимущественно от Lx – ширины ямы, он пропорционален 1/ Lx 2

Скорость генерации электрон-дырочных пар G G = E Ib (1 – η)/q. Ei E – энергия, Ib – ток пучка электронов, η – коэффициент обратного рассеяния, q – заряд, Ei – энергия, необходимая для создания электрон-дырочной пары Ei = 2. 8 Eg + E’ E’ отражает участие фононов, обычно 0. 5 э. В < E’ < 1 э. В Распределение избыточных носителей Генерация электрон-дырочных пар связана с тормозными потерями d. E/ds = - 785(ρZ/AE)ln(b. E/J) э. В/Å Избыточные носители (Δp, дырки в n-типа материалах) диффундируют и рекомбинируют (Δp/τ)

1 D случай может быть описан плоскостью z параллельно поверхности (z = 0) как D(d 2 Δp/dz 2) – Δp/τ + g’ с граничным условием, которое учитывает поверхностную рекомбинацию при z=0 D(∂Δp/∂z)│z=0 = sΔp│z=0 D – коэффициент диффузии, s – скорость поверхностной рекомбинации Решение этого уравнения в общем случае – это достаточно сложная задача. Функция генерации g’ может быть описана 1) точечным источником, расположенным на некоторой глубине твердого тела, 2) однородным сферическим источником и 3) гауссовским источником Если известно 3 D распределение избыточных носителей Δp(r) и предположить, что интенсивность катодолюминесценции линейно пропорциональна квазистационарной плотности носителей, тогда полная интенсивность люминесценции ICL (r) по объему V может быть выражена как ICL (r) = A(λ) D(λ)∫V [Δp(r)/τr] d 3 r Здесь A(λ) – оптические потери, D(λ) – эффективность детектирования, Δp – плотность избыточных носителей

Используем решение для точечного источника, расположенного на некоторой глубине h от поверхности z=0 (h глубина проникновения электронов, т. е. до этой глубины электроны рассеиваются упруго, а затем происходят неупругие потери). Решение в одномерном случае применимо к экспериментам с расфокусированными пучками. Это уменьшает плотность носителей и нагрев пучком. Δpss = Gτ{1 -[S/(1+S)]exp(h/L)} Здесь Δpss – стационарная плотность избыточных носителей, L – диффузионная длина носителей (меньшинства) , S – представляет уменьшенную скорость поверхностной рекомбинации (S= s τ/L). Видно, что эффект поверхностной рекомбинации на генерацию избыточных носителей Gτ определяется S/(1+S) и членом exp(h/L). Для фиксированного ускоряющего напряжения, и следовательно h, поверхностная рекомбинация меньше в материалах с малой диффузионной длиной. Излучательная рекомбинация избыточных электронов дает катодолюминесценцию при скорости, которая определяется Δpss /τ.

Чаще принято определять интенсивность катодолюминесценции используя экспериментальные параметры ICL = kf (Ib )(E – Ed )m Здесь k – константа, f – связано с током пучка, Ed – «мертвое» напряжение, которое определяет минимальное напряжение, необходимое для появления катодолюминесценции. m – показатель степени (обычно 1< m <2).

Схема установки для изучения катодолюминесценции

Пример спектров катодолюминесценции

Электронно-стимулированная десорбция

Электронно-стимулированное дефектообразование Subthreshold excitation ! Phys. Solid State 40 (1998) 831 Increase in the intensity of defect related components (M 1, a 1, b 1) suggests generation and accumulation of radiation-induced defects in atomic solids

Model of defect formation for atomic and molecular centers A – center o – Ne+, – Ne 0, – vacancy , – interstitial

Схема катодолюминесцентной системы в сканирующем электронном микроскопе

Катодолюминесцентная система на сканирующем электронном микроскопе

Схема катодолюминесцентной приставки к микроскопу

Детекторы католюминесценции

Катодолюминесценция эпитакcиальных пленок Ga. As

Эффект фокусировки на спектр катодолюминесценции Ga. As 25 кэ. В, мощность 7. 5 мк. Вт В условиях фокусировки наблюдается интенсивная экситонная люминесценция, При расфокусированном пучке преобладает рекомбинация донорноакцепторных пар

Катодолюминесценция минералов Спектр натурального Zr. Особенности d и f связаны с присутствием иона Dy 3+

Монохроматические изображения образца натурального Zr Изображения d и f связаны с присутствием иона Dy 3+

Люминесцентные изображения микротрещин а – без поляризатора, b, c - с поляризатором, установленныи параллельно и перпендикулярно <110>

Спектры линейно поляризованной катодолюминесценции Δх – расстояние от трещины СВ

Изображение алмазной пленки, полученное с помощью трансмиссионной электронной микроскопии Показана люминесценция зерен с дислокациями и без

Монохроматические изображения квантовой ямы, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии

Люминесценция в сканирующем туннельном мокроскопе Изображение “quantum-well wires”

Измерения катодолюминесценции с временным разрешением Различие времен затухания связано с усилением безызлучательной рекомбинации Особенности, связанные с «темными» линиями, электрически активные

Литература 1. Luminescence of Solids Ed. D. R. Vij, Plenum Press, New York, 1998. 2. Теория поглощения и излучения света в полупроводниках, Грибковский В. П. , Наука и Техника, Минск, 1975. 3. Введение в теорию люминесценции, Степанов В. И. , Грибковский В. П. , АН БССР, 1963.