扫描电镜-阴极发光原理及应用

SEM阴极发光（SEM-CL）是一种技术，其中具有特定波长的光子从被高能电子轰击的材料中发射，高能电子由扫描电子显微镜中的电子枪产生。根据成分、晶格结构或是否存在导致结构改变的应变或损伤，该方法以不同的方式工作。

这种发光的发生在固态能带理论中有理论基础。诸如方解石或石英之类的固体绝缘体可以理解为具有价电子带以及被称为禁带的带隙中断的导带。

如果一个晶体结构被具有足够能量的电子撞击，从而将低价带电子提升到具有较高能量的传导带，被提升的电子几乎立即回到基态或非激发态的价带。然而，当存在内在或外在杂质(如材料结构中的缺陷和陷阱)时，它们可以保留很短的时间(以微秒计)。

一旦电子从这些陷阱中释放出来，它们就会发出能量，如果能量或波长在所需范围内，则可能导致发光。许多光子位于电磁光谱的可见部分，对应于400-700 nm的波长。但是，有些在紫外线或红外区域内。

陷阱相互作用产生的发光以多种方式发生。激发到导带的高能电子可能返回基态而不被捕获，或者它们可能在整个晶体结构中显示随机运动，直到它们进入陷阱。

之后，它们要么立即回到基态，要么进入更多陷阱，根据每一步的能量差异发射不同波长的光。因此，阴极发光（CL）的强度与陷阱密度成正比。

光子能量< EGap
杂质复合
eA⁰:中性受体CB -空穴中的电子
D⁰h: VB中中性donor - hole的电子
DAP：中性受体的电子-中性受体的空穴

光学- cl(冷阴极)和SEM-CL之间的主要区别是什么?

最常用的光学CL设置的基础是冷阴极CL，连接到一个传统的光学显微镜，这样就可以用光学和CL来检查样品的相同面积。

在电离气体中，在约10的真空中，在地电位下阳极和阴极之间发生高负电压放电^-2Torr（而传统SEM需要10%的真空度^-5或更多)，从而产生电子束。这将导致在大多数具有CL属性的材料中出现低级CL。欧洲杯足球竞彩

使用光学显微镜的物镜观察发光，或使用数码相机记录图像。

冷CL的发射提供了有关矿物中微量元素存在的信息，或关于晶体中机械方式引起的缺陷的信息。地质研究借助于观察材料中氯的形态，有助于了解晶体的生长方式、晶格置换、晶体变形和晶体的地理起源。使用光学CL而非SEM-CL获取CL图像存在一些限制，例如：

• 图像放大率差
• 光学cl图像仅在可见光区域内生成
• 低分辨率
• 图像采集和处理需要更多的时间

什么是SEM Raman？

拉曼光谱是另一种基于材料光散射的化学分析方法，该方法使样品保持完整，同时产生关于样品结构、相和多形性的丰富信息，以及其晶体性质和分子相互作用。它根据光如何与材料内部的化学键相互作用来分析材料，因为分子散射了高强度激光光源发出的入射光。

光散射的结果主要是光子具有与从激光源发出的光相同的波长。这被称为瑞利散射，并没有给出太多的样本数据。一些光(约0.0000001%)被散射，这就产生了与原始光不同颜色的光子。这就是拉曼效应，对于被分析物质的化学结构是特定的。

SEM拉曼测量使用电子显微镜样品室内的拉曼光谱。为了实现这一点，激发激光被引导到真空中的样品上。由此产生的拉曼光谱具有几个峰的特征，这些峰显示了经过拉曼散射的光的不同波长和强度。

每个不同的峰对于分子中每一种振动键运动都是特定的。这包括单独的键，如C-C, C- h, N-O和C=C，和键簇，如聚合物链，晶格模式，或苯环的呼吸模式。

为什么拉曼光谱、PL和CL技术是互补的？

在同一样品（无论是矿物、半导体或陶瓷，甚至是新型2D材料）上使用拉曼光谱、PL和CL，提供了分子不同方面的数据，有助于全面了解分析物的结构。

CL和PL在研究发光材料的带隙、晶体生长中的缺陷和杂质以及各种激子复合途径中非常重要，而拉曼光谱有助于了解化学结构和其他特征，如欧洲杯足球竞彩结构、相、表面的同一性、多形性、应力或应变，和污染物。

因此，后者提供了一种特定的光谱模式，通常称为化学指纹，用于识别分子或材料，或帮助从其他分子或材料中辨别出来。

数以千计的拉曼光谱库有助于快速将材料的特性与其拉曼光谱进行匹配。与使用扫描透射电子显微镜的纳米级分辨率相比，SEM-CL中的电子束激发比SEM-Raman和SEM-PL在扫描电子显微镜下实现几十纳米范围内的优异分辨率的能力更强。

相比之下，由于存在光学衍射，SEM-PL和SEM-Raman只能达到微米级的分辨率。

SEM-CL最常见的应用是什么？

直接带隙的半导体，如GaAs或GaN，是用SEM-CL技术分析的理想材料，但间接带隙的硅，也可以显示弱的CL，因此可能会受到这种类型的分析。

错位硅和本征硅具有不同的发光特性，这一事实被用来绘制集成电路中缺陷的位置。最近的发展是在电子显微镜下使用CL在金属纳米颗粒中产生表面等离子共振进行分析。欧洲杯猜球平台

这种纳米粒子表面等离子体的重要性在于其吸收和发光的能力，但其发生的方式与半导体的过程大不相同。欧洲杯猜球平台CL可用于探针，绘制平面介电态光子晶体以及光伏纳米材料在不同状态下的密度分布。欧洲杯足球竞彩

SEM-CL还用于研究矿物和地质应用，例如：

• 研究沉积岩地层的成岩作用和胶结作用。
• 确定变质沉积岩和沉积岩中碎屑物质的形成。
• 分析化石的详细内部解剖结构。
• 变质岩和火成矿物中生长和溶解的研究。
• 发现变质岩是如何变形的。

SEM-CL的优点是什么？

体贴

SEM-CL非常敏感，因此检测物质化学性质变化的水平低于X射线分析检测的水平。这使得它在检测微量稀土元素时比传统的SEM-EDX和SEM-WDX测试更具优势。它还对温度、化学组成、晶体结构、结构缺陷和任何结构应变的变化极为敏感。然而，这也使其难以解释。

电子路径的蒙特卡罗模拟

高空间分辨率

分子相互作用发生在试样的一部分内，该部分随以下因素而变化：

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

SEM拉曼光谱最常见的应用是什么？

SEM-Raman用于研究碳和二维材料的结构和纯度，包括纳米管、hBN、石墨烯、MoS欧洲杯足球竞彩_2.，结构上的任何缺陷或混乱。

它还用于分析以下类别材料的各种特性：

• 半导体-其纯度，合金成分，内应力/应变的存在。
• 地质学–识别矿物并分析其分布、检测流体包裹体和相变的能力。
• 艺术和考古学——描述颜料、陶瓷材料和宝石的典型特征。欧洲杯足球竞彩
• 药剂学-测试成分的均匀含量和均匀分布。

使用哪种类型的CL图像采集？

CL全色图像通常是一种灰度图像，探测器将每个像素发出的光强度作为单一波段的数据收集起来。这被称为综合强度。PMT光电倍增管直接连接到CL的接口，用于收集数据并检测光线。

锆石样品

CL RGB图像是一种结合了多种光谱的图像，包括三种主要颜色（红色、绿色和蓝色）的视觉波段。三个色带之间的连接提供了一个“真彩色”图像。

磷的形象

CL高光谱图像由每个像素都具有整个光谱的图像组成。使用电子束扫描样品，进行小范围绘图，每个区域覆盖几百微米，同时获得每个点的整个光谱。使用配备CDD探测器的光谱仪收集光。

高光谱图像

本信息来源、审查和改编自HORIBA Scientific提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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