阴极发光

**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，通過控制屏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電洞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、奧杰電子和 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（ $E_{kin}\approx 3E_{g}$ ），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奈米左右；（掃描）透射電子顯微鏡的解析度甚至能達到幾個奈米。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奈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，可以檢測出集成電路中的缺陷。

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奈米顆粒的表面電漿共振。金屬奈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奈米結構光子材料的局部態密度進行測量。

## 另見

* 陰極發光顯微鏡
* 電子激發冷光技術
* 冷發光
* 光致發光
* 掃描電子顯微鏡

## 參考資料

## 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_ （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, M. Kuttge, Utrecht University (2009)
* _Electron beams set nanostructures aglow_ （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Nature 493, 143 (2013)
* _Angle-resolved cathodoluminescence imaging polarimetry （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）,_ 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）,_ 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）,_ 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)
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* Lähnemann, J. Luminescence of group-III-V nanowires containing heterostructures (pdf) (學位論文). Humboldt-Universität zu Berlin. 2013 [2018-11-09]. （原始內容存檔於 2019-07-13）.

## 外部連結

* What is Cathodoluminescence? （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* High-performance SEM cathodoluminescence imaging （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* From the discovery of the electron to subwavelength microscopy: An introduction to cathodoluminescence （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） DELMIC Microscopy Blog
* Cathodoluminescence intensity mapping: Adding an extra dimension to your research （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Scientific Results about High Spatial Resolution Cathodoluminescence （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* DELMIC, a company offering commercial cathodoluminescence systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Gatan, a company offering commercial cathodoluminescence systems for SEM and TEM （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Attolight, a company offering commercial cathodoluminescence systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* HORIBA Scientific, a company offering commercial cathodoluminescence systems （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）