SEM-CL（SEM-阴极发光）的原理和应用

sem -阴极发光(SEM-CL)是一种具有特定波长的光子从被高能电子轰击的材料中发射出来的技术，这些高能电子是由扫描电子显微镜中的电子枪产生的。这种方法的工作方式取决于组成，晶格结构或是否有任何应变或破坏导致结构的改变。

这种发光的发生在固态能带理论中有理论基础。固体绝缘体，如方解石或石英，可以理解为有一个价电子带和一个被禁带所打断的导带。

如果通过具有足以促进具有更高能量的导电带电的能量的电子来击中具有能量的结晶结构，则促进的电子几乎瞬时返回地面或非激发态的价带。然而，它们可以保留在微秒内测量的非常短暂的时期，在内在或外在杂质的存在下，例如材料结构和陷阱中的缺陷。

一旦电子从这些阱中释放出来，它们就会释放出能量，如果在所需的能量或波长范围内，这些能量可能会导致发光。许多光子在电磁光谱的可见部分内，相当于波长为400-700纳米。然而，有些位于紫外线或红外线区域内。

通过陷阱的相互作用产生发光以多种方式发生。促进到导通带的激发能量电子可以返回到地状态而不被捕获，或者它们可以在整个晶体结构中显示随机运动，直到它们进入陷阱。

之后，它们要么立刻回到基态，要么进入更多的陷阱，根据每一步能量的差异发射出不同波长的光。因此，阴极发光(CL)的强度与陷阱密度成正比。

光子能量重组与杂质
eA⁰：中性受体的CB - 孔中的电子
D⁰H：VB中的中立Donnor - 孔的电子
DAP:中性给体的电子-中性受体的空穴

光学-CL（冷阴极）和SEM-CL之间的主要差异是什么？

最常使用的光学CL设置的基础是冷阴极CL，附接到常规光学显微镜，使得样品的相同面积可以光学以及CL检查。

这里，在接地电位的阳极和阴极之间，在约10的真空中，在接地电位的阳极和阴极之间发生放电^－２Torr(而传统的sem需要真空10^－5或更多），其导致电子束。这导致具有CL属性的大多数材料中的低水平CL。亚博网站下载

用光学显微镜的物镜观察发光，或用数码相机记录图像。

冷cl的发射提供了关于矿物中微量元素的存在或关于晶体中由机械手段引起的缺陷的信息。地质研究通过观察材料内CL的模式，帮助理解晶体生长的方式，晶格置换的存在，晶体变形和晶体的地理起源。使用光学CL而不是SEM-CL获取CL图像存在一些限制，例如:

• 可怜的图像放大
• 仅在可见光区域内产生光学CL图像
• 降低分辨率
• 图像获取和处理需要更多时间

SEM-Raman是什么?

拉曼光谱是另一种基于材料光散射的化学分析方法，它在保持样品完整的同时，提供了大量关于样品的结构、相和多形性，以及晶体性质和分子相互作用的信息。当分子散射由高强度激光光源发出的入射光时，基于光如何与材料内部的化学键相互作用来分析材料。

光散射结果主要是在具有与来自激光源的发射光相同的光子中的光子。这称为瑞利散射，并在标本上没有提供太多数据。一些浅色，约0.0000001％散落，这导致来自原始光的不同颜色的光子。这是拉曼效应，并且特定于分析物质的化学结构。

SEM-Raman测量是在电子显微镜的样品腔内使用拉曼光谱。为了实现这一点，激发激光在真空中直接照射样品。由此产生的拉曼光谱具有几个峰的特征，这些峰显示了经历拉曼散射的光的不同波长和强度。

每个不同的峰是分子内的每种类型的振动键运动。这包括单独的键，例如C-C，C-H，N-O和C = C，以及诸如聚合物链，晶格模式的粘合簇，或苯环的呼吸模式。

为什么拉曼光谱、PL和CL是互补技术?

在同一样品上使用拉曼光谱、PL和CL，无论是矿物、半导体或陶瓷，甚至是一种新的2D材料，提供了分子的不同方面的数据，这有助于实现对分析物结构的全面了解。

CL和PL带隙发光材料的重要研究中,晶体生长缺陷和杂质,和各种excitotonic复合途径,而拉曼光谱可以帮助理解化学结构和其亚博网站下载他特征如身份、多形态的性质,结构应力或应变,阶段,和污染物。

因此，后者提供了一种特定的光谱模式，通常被称为化学指纹，它可以识别某种分子或物质，或帮助将其从其它物质中挑出来。

成千上万的拉曼光谱库可用于将材料的身份与其拉曼光谱迅速匹配。SEM-CL中的电子束励磁可以通过使用A的纳米尺度分辨率来实现优于透明分辨率，以实现优异的分辨率到几十纳米的范围，与纳米尺度分辨率相比使用扫描透射电子显微镜。

相比之下，由于光学衍射的存在，SEM-PL和SEM-Raman只能达到微米尺度的分辨率。

SEM-CL最常见的应用是什么?

显示直接带隙（例如GaAs或GaN）的半导体是通过SEM-CL技术进行分析的理想选择，但是诸如具有间接带隙的硅的那些也能够显示弱CL并且可以进行这种类型的分析。

位错硅和本征硅具有不同的发光特性，并利用这一事实来绘制集成电路中缺陷的位置。最近的发展是利用CL在电子显微镜内产生表面等离子体共振金属纳米颗粒进行分析。yabo214

表面等离子体在这种纳米粒子中的重要性是它们吸收和发光的能力，但是这种发生的方式与半导体中的过程完yabo214全不同。CL可以在探针中使用以在平面介电状态下映射不同状态的光子晶体中的密度分布，以及光伏纳米材料。亚博网站下载

SEM-CL还用于研究矿物和地质应用，例如:

• 研究成岩作用如何发生沉积岩层。
• 在变质沉积岩和沉积岩中建立碎屑物质的形成。
• 分析化石的详细内部解剖学。
• 变质岩和火成岩矿物的生长和溶解研究。
• 研究变质岩石是如何变形的。

SEM-CL的优势是什么?

灵敏度

SEM-CL是非常敏感的，因此可以在比x射线分析所能检测到的低水平上检测到物质的化学性质的变化。这使得它在检测微量稀土元素时比传统的SEM-EDX和SEM-WDX测试有优势。它对温度、化学组成、晶体结构、结构缺陷和任何结构应变的变化也极为敏感。然而，这也使得它难以解释。

Monte-Carlo电子路径模拟

高空间分辨率

分子相互作用发生在样本的一部分内，其因素而变化，例如：

• 电子束入射角的增加使相互作用分子的体积减小。
• 原子序数越高，对电子的吸收就越大。
• 施加在电子束上的加速电压越高，电子束穿透越深，相互作用的体积越大。

SEM-Raman光谱最常见的应用是什么?

SEM-Raman用于研究碳和2D材料的结构和纯度，包括纳米管，HBN，石墨烯，MOS亚博网站下载₂，结构上的任何缺陷或紊乱。

它还被用来分析以下类材料的各种特性:

• 半导体 - 它们的纯度，合金组合物的组成，内在应力/菌株的存在。
• 地质学-识别矿物和分析其分布，检测流体包裹体和相变的能力。
• 艺术和考古学-描述油漆和颜料，陶瓷材料和宝石的典型特征。亚博网站下载
• 药剂 - 用于测试均匀含量甚至分布成分。

使用什么类型的CL图像采集?

CL全色图像通常是一种灰度图像，其中每个像素发出的光强度被检测器作为单个数据带收集。这被称为综合强度。一个PMT光电倍增管直接连接到CL的接口上，CL收集数据并检测光。

锆石样本

CL RGB图像是由三原色(红、绿、蓝)三个视觉波段组成的多光谱图像。三个波段之间的连接给出了“真实的颜色”图像。

磷素图像

CL高光谱图像由一幅图像组成，其中每个像素都有一个完整的光谱。用电子束扫描样品进行小映射，每个区域覆盖几百微米，而每个点获得整个光谱。光是用一个配有CDD探测器的光谱仪收集的。

高光谱图像

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