Catodoluminiscencia

Color cathodoluminiscencia 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 por un haz de electrones que escanea la superficie interior recubierta de fósforo de la pantalla de un televisor que utiliza un tubo de rayos catódicos. La catodoluminiscencia es el inverso del efecto fotoeléctrico, en el que la emisión de electrones es inducida por la irradiación con fotones.

Origen

Sketch of a cathodoluminescence system: 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 (CCD) o fotomultiplier (PMT) para detección paralela o monocromática, respectivamente. Una señal de corriente inducida por el rayo de electrones (EBIC) puede ser grabada simultáneamente.

La luminiscencia en un semiconductor resulta cuando un electrón en la banda de conducción recombines con un agujero en la banda de valence. La diferencia de energía (base de banda) de esta transición se puede emitir en forma de fotones. La energía (color) del fotón, y la probabilidad de que se emita un fotón y no un fono, depende del material, su pureza y la presencia de defectos. Primero, el electrón tiene que estar emocionado desde la banda de valence en la banda de conducción. En cathodoluminiscencia, esto ocurre como resultado de un rayo de electrones de alta energía impinging en un semiconductor. Sin embargo, estos electrones primarios llevan demasiada energía para excitar directamente 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 pueden dispersarse también. Tal cascada de eventos de dispersión conduce a hasta 10³ electrones secundarios por electrones incidente. Estos electrones secundarios pueden excitar electrones de valence en la banda de conducción cuando tienen una energía cinética alrededor de tres veces la energía de la brecha de banda del material ()Ekin.. 3Eg){displaystyle (E_{kin}approx 3E_{g}}. Desde allí el electron recombines con un agujero en la banda de valence y crea un fotón. El exceso de energía se transfiere a fonones y así calienta la celosía. Una de las ventajas de la excitación con un haz de electrones es que la energía de la brecha de banda de materiales que se investigan no está limitada por la energía de la luz del incidente como en el caso de la fotoluminiscencia. Por lo tanto, en cathodoluminiscencia, el "semiconductor" examinado puede, de hecho, ser casi cualquier material no metálico. En términos de estructura de banda, semiconductores clásicos, aislantes, cerámica, gemas, minerales y vasos se pueden tratar de la misma manera.

Microscopía

Color cathodoluminescence overlay on SEM image of an InGaN polycrystal. Los canales azul y verde representan colores reales, el canal rojo corresponde a la emisión UV.

En geología, mineralogía, ciencia de los 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 estructuras internas de semiconductores, rocas, cerámica, vidrio, etc..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 sobre una muestra y la induce a emitir luz que es recolectada por un sistema óptico, como un espejo elíptico. Desde allí, una fibra óptica transferirá la luz fuera del microscopio, donde un monocromador la separará en sus longitudes de onda componentes y luego la detectará con un tubo fotomultiplicador. Al escanear el haz del microscopio en un patrón X-Y y medir la luz emitida con el haz en cada punto, se puede obtener un mapa de la actividad óptica de la muestra (imágenes de catodoluminiscencia). En cambio, al medir la dependencia de la longitud de onda para un punto fijo o un área determinada, se pueden registrar las características espectrales (espectroscopia de catodoluminiscencia). Además, si se reemplaza el tubo fotomultiplicador por una cámara CCD, se puede medir un espectro completo en cada punto de un mapa (imágenes hiperespectrales). Además, las propiedades ópticas de un objeto se pueden correlacionar con las propiedades estructurales observadas con el microscopio electrónico.

La principal ventaja de la técnica basada en el microscopio electrónico es su resolución espacial. En un microscopio electrónico de barrido, la resolución alcanzable es del orden de unas pocas decenas de nanómetros, mientras que en un microscopio electrónico de transmisión (TEM) (de barrido), se pueden resolver características del tamaño de un nanómetro. Además, es posible realizar mediciones con resolución temporal de nanosegundos a picosegundos si el haz de electrones se puede "cortar" en pulsos de nano o picosegundos mediante un supresor de haz o con una fuente de electrones pulsados. Estas técnicas avanzadas son útiles para examinar estructuras de semiconductores 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 directos de banda prohibida, como GaAs o GaN, se examinan más fácilmente con estas técnicas, los semiconductores indirectos, como el silicio, también emiten una catodoluminiscencia débil y también se pueden examinar. 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 superficiales en nanopartículas metálicas pueden absorber y emitir luz, aunque el proceso es diferente al de los semiconductores. De manera similar, la catodoluminiscencia se ha explotado como sonda para mapear la densidad local de estados de cristales fotónicos dieléctricos planos y materiales fotónicos nanoestructurados.