阴极射线发光分析方法及其在新材料研究中的应用.doc

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1、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CATHODOLUMINESCENCEANALYSISANDITSAPPLICATIONSINNEWMATERIALSFUZhu

2、-Xi（StructureResearchLaboratory,ChineseAcademyofSciences;DepartmentofPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChinaHefei230026）WUZi-Qin（FundamentalPhysicsCenter,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026）Abstract：Cathodoluminescence(CL)isanimportantexperimentalmethodforanalysing

3、thestructure,densityofstatesanddefectsofcrystals.TheCLcombinedwithsecondaryelectrons,back-scatteringelectronsandX-rayspectrainscanningelectronmicroscopycanrevealthespectralandspatialdistributionoflightemissioncenters.Thisisofgreatuseinthecharacterizationofthestructure,densityofstates,defe

4、ctsandimpuritiesofsamplesinmicrozones.ThefundamentalprincipleofCLanalysisanditsapplicationsinresearchofnewmaterials,suchasGaN,SiC,ZnOandquantumwiresarereviewed.Keywords：cathodoluminescence,analysismethod,newmaterials▲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

5、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

6、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

7、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