陰極射線發光

陰極射線發光（Cathodoluminescence，CL）或陰極發光、陰極射線致發光，是一種冷發光現象，指的是磷光體之類的材料受電子照射時發射出可見光的現象。陰極射線發光常見於老式電視的顯像管；其利用電子束在電視屏幕內側的磷光體上來回掃描，通過控制螢幕上不同區域的發光強度生成圖像。

## 來源

半導體中的冷發光來源於導帶中的電子和價帶中的空穴的重新結合時以光子形式發射出的能量。這些光子的能量（或顏色）取決於材料的性質、純度以及其中的雜質。但在此之前，價帶中的電子需要先受激進入導帶。在陰極射線發光中，價帶電子被高能電子束所激發。高能電子射入材料後還會造成材料中二次電子、俄歇電子和X射線的發射；這些電子會再次在材料內部發生散射，產生更多的電子。最終，每一個入射的電子會導致多達103的二次電子的發射。當這些二次電子的動能達到能隙的三倍時（$E_{kin}\approx 3 E_g$），就會激發價帶電子進入導帶。用電子束激發材料發光和光致發光相比的優勢在於，後者對材料能隙的觀測受限於入射光的能量。因此，幾乎所有的非金屬材料都可以運用陰極射線發光手段進行表徵。

## 在顯微技術中的應用

在地質學、礦物學、材料科學和半導體工程學中，結合了陰極射線發光探測器的掃描電子顯微鏡或光學顯微鏡被用於探測半導體、岩石、陶瓷器和玻璃等材料內部的結構，以獲取這些材料的組成成分、生長情況和品質。

### 在掃描電鏡中的應用

電子顯微鏡使用聚焦後的電子束照射於樣品上；從樣品中激發出的光通過某些光學系統（例如橢面鏡）進行收集。光導纖維將這些光從顯微鏡內部傳導出來後，單色器可以分離這些光所包含的不同波長成分，然後使用光電倍增管進行測量。若對顯微鏡視野內的區域進行掃描，並在電子束掃描到每一點時測量樣品所發出的光；將這些測量結果匯集起來即可繪製出陰極射線發光的「分布圖」，表現的是顯微鏡視野區域內光學活動的分布。另一種實驗手段是僅讓電子束照射樣品上的某一固定點或固定區域，然後獲取這一區域的光譜。如果用感光耦合元件代替光電倍增管，則可以測量全光學頻譜（高光譜影像）。

基於電子顯微鏡的陰極射線發光實驗手段的主要優勢是其空間解析度。掃描電鏡的解析度一般在幾十納米左右；（掃描）透射電子顯微鏡的解析度甚至能達到幾個納米。另外，如果使用脈衝式的電子源甚至可以實現時間解析度達到納秒到皮秒級別的測量，可被應用於低維度半導體結構（例如量子阱和量子點）的研究。

雖然基於電子顯微鏡的陰極射線發光探測儀提供了較高的放大倍數，但基於光學顯微鏡的陰極射線發光探測儀的優勢在於可以看到樣品原本的顏色。最新開發的系統結合了兩者的優勢。

## 其他應用

雖然直接帶隙半導體（例如砷化鎵或氮化鎵）的陰極射線發光現象最明顯（最適合用上述實驗手段對其進行測量），但是間接帶隙半導體（例如矽）中也有微弱的陰極射線發光現象。利用位錯矽的發光和本徵矽相異的特徵，可以檢測出積體電路中的缺陷。

最近，基於電子顯微鏡的陰極射線發光測量也被用於研究金屬納米顆粒的表面等離子共振。金屬納米顆粒的表面電漿子也能吸收光和發光，但這一過程和半導體中的發光是不同的。同樣，陰極射線發光也被用作探針，對平面介電光子晶體和納米結構光子材料的局部態密度進行測量。

## 延伸閱讀

- Cathodoluminescence microscopy: Optical imaging and spectroscopy with deep-subwavelength resolution, T. Coenen, B. J. M. Brenny, E. J. R. Vesseur, and A. Polman, MRS Bulletin 40, 359 (2015)
- Angle-resolved cathodoluminescence nanoscopy, T. Coenen, University of Amsterdam (2014)
- Cathodoluminescence plasmon microscopy , M. Kuttge, Utrecht University (2009)
- Electron beams set nanostructures aglow , Nature 493, 143 (2013)
- Angle-resolved cathodoluminescence imaging polarimetry , C. I. Osorio, T. Coenen, B. J. M. Brenny, A. Polman, and A. F. Koenderink, ACS Photonics, DOI: 10.1021/acsphotonics.5b00596 (2015)
- Imaging of hidden modes in ultra-thin plasmonic strip antennas by cathodoluminescence , E. S. Barnard, T. Coenen, E. J. R. Vesseur, A. Polman, and M. L. Brongersma, Nano Lett. 11, 4265 (2011)
- Directional emission from plasmonic Yagi-Uda antennas probed by angle-resolved cathodoluminescence , T. Coenen, E. J. R. Vesseur, A. Polman, and A. F. Koenderink, Nano Lett. 11, 3779 (2011)
- B. G. Yacobi and D. B. Holt, Cathodoluminescence Microscopy of Inorganic Solids,New York, Plenum (1990)
- C. E. Norman, Microscopy and Analysis, March 2002, P.9-12
- S. A. Galloway et al., Physica Status Solidi C, V0(3), P.1028-1032 (2003)
- C. M. Parish and P. E. Russell, Scanning Cathodoluminescence Microscopy, in Advances in Imaging and Electron Physics, V.147, ed. P. W. Hawkes, P. 1 (2007)

## 外部連結

- What is Cathodoluminescence?
- High-performance SEM cathodoluminescence imaging
- From the discovery of the electron to subwavelength microscopy: An introduction to cathodoluminescence DELMIC Microscopy Blog
- Cathodoluminescence intensity mapping: Adding an extra dimension to your research DELMIC Microscopy Blog
- Quick look cathodoluminescence analyses and their impact on the interpretation of carbonate reservoirs. Case study of mid-Jurassic oolitic reservoirs in the Paris Basin
- Scientific Results about High Spatial Resolution Cathodoluminescence
- DELMIC, a company offering commercial cathodoluminescence systems
- Gatan, a company offering commercial cathodoluminescence systems for SEM and TEM
- Attolight, a company offering commercial cathodoluminescence systems
- HORIBA Scientific, a company offering commercial cathodoluminescence systems