Kasutaja:Karro96/Katoodluminestsents

Katoodluminestsents on üks luminestsentsi liikidest. Tegu on optilise ja elektromagneetilise fenomeniga, mis avaldub elektronide voo ja aine kokkupõrkel tekkiva helendusena. ^[1] Katoodluminestsents tekib elektronide ja luminestseeruva materjali kokkupõrkel. Elektronid interakteeruvad ainega ja põhjustavad footonite väljumise ainest. Nähtava valguse piirkonnas on võimalik kiirgust ka silmaga näha. 1879. aastal avalikustas Sir William Crookes oma eksperimendi, kus kaltsium sulfiidi elektronidega pommitamisel tekkis erk luminestsentssignaal. Katoodluminestsents on pöördefekt fotoelektrilisele efektile, kus kasutatakse valgust, et lüüa ainest välja elektrone.

Katoodluminestsentsi tööpõhimõte[muuda | muuda lähteteksti]

Pooljuhis tekib luminestsents juhul kui juhtivustsooni elektron ühineb valentstsooni auguga. Selle ühinemise tulemusena tekkinud energia kiiratakse footonina. Kiiratud footoni energia ja värv sõltuvad materjalist, selle puhtusest ja defektidest. Arvesse tuleb võtta ka tõenäosust, et protsessi käigus kiiratakse footon mitte foonon. Esmalt tuleb elektron valentstsoonist juhtivustsooni ergastada, mis tähendab, et peame talle andma energiat juurde. Katoodluminestsentsi korral saavutame elektronide ergastamise, kui juhime kõrge energiaga elektronkiire pooljuhile. Elektronkiire primaarsed elektron on liialt energeetilised, et otse pooljuhis olevaid elektrone ergastada. Selle asemel toimub pooljuhi kristallis mitteelastne hajumine, mis viib sekundaarsete elektronide, Augeri elektronide ja röntgenkiirguse tekkeni, mis omakorda hajuvad. Sellise hajumise tulemusena tekib igast primaarsest elektronist 10³ sekundaarset elektroni. ^[2] Sekundaarsed elektronid suudavad ergastada valentstsoonis olevaid elektrone nii, et need liiguvad edasi juhtivustsooni juhul, kui sekundaarsete elektronide energia on kolm korda suurem materjali keelutsooni laiusest $(E_{kin}\approx 3E_{g})$ . ^[3] Üleliigne energia muundatakse foononiteks ning see soojendab kristallvõret. Elektronkiirega ergastamise eelis on, et materjali keelutsooni laius ei ole piiratud peale langeva valguse energiaga nagu see on fotoluminestsentsi korral. Seega võime katoodluminestsentsi korral pooljuhina kasutada peaaegu iga mittemetalli - klassikalised pooljuhid, isolaatorid, mineraalid, klaasid.

Mikroskoopia[muuda | muuda lähteteksti]

Geoloogias, mineraloogias ja materjaliteaduses kasutatakse skaneerivat elektronmikroskoopi koos katoodluminestsentsi detektori või optilise katoodluminestsentsmikroskoobiga, et uurida pooljuhtide, kivide, keraamika, klaasi jne sisestruktuuri ning materjali kvaliteeti.

Kasutades tavalist valgusmikroskoopi on nägemise piiriks difraktsiooni piir, mis on samas suurusjärgus valguse lainepikkusega. Kombineerides kokku valgusmikroskoop ja elektronmikroskoop on võimalik meie nägemise piiri nihutada veelgi kaugemale. Elektronmikroskoop töötab praktiliselt kui elektronkiir, mis ergastab ainet. Kui vaadeldavasse objekti, näiteks rakku, lisada luminesseeruvat ainet, on võimalik seda elektronmikroskoobi elektronkiire abil ergastada. Emmiteerunud valgust on siis võimalik valgusmikroskoobi abil vaadelda. Nii saame nägemispiiri nihutada paarisajalt nanomeetrilt paari nanomeetrini. Sellist lahendust kasutatakse palju bioloogias, et uurida rakke lähemalt.

Katoodluminestsents skaneerivas elektronmikroskoobis[muuda | muuda lähteteksti]

Skaneerivas elektronmikroskoobis koondatakse elektronkiir proovile ning sellelt emmiteerunud valgus kogutakse kokku optilise süsteemi, näiteks elliptiline peegel, abil. Kokku koondatud valgus viiakse optilise fiibriga mikroskoobist monokromaatorisse, kus eraldatakse kiirgunud valguse erinevad lainepikkused. Monokromaatorist liigub valgus edasi fotoelektronkordistisse. Skaneerides proovi elektronkiirega xy-tasandis ja mõõtes kiirgunud valguse intensiivsust igas punktis, saame kaardistada proovi optilise aktiivsuse (katoodluminestsents kujutamine). Kiiritades proovi ühte punkti erinevatel lainepikkustel, saame kaardistada aine spektraalsed karakteristikud (katoodluminestsents spektroskoopia). Kui asendada fotoelektronkordisti CCD kaameraga, võime mõõta kogu kiirgusspektri iga punkti jaoks proovil. Aine optiliste omaduste ja struktuuri vahel on oluline korrelatsioon. Seega saame elektronmikroskoobiga vaadeldes teha oletusi aine ehituse kohta.

Kasutusvõimalused[muuda | muuda lähteteksti]

Lisaks sellele, et keelutsooni laius mõnes pooljuhtis, näiteks GaAs, on lihtsasti ületatav elektronkiire abil ergastamisega, võime katoodluminestsentsi esile kutsuda ka teisejärgulistes pooljuhtides, näiteks räni. Võrreldes tavalise ning defektse räni kristalli luminestsentsi, märkame erinevust, mida saame ära kasutada, kui otsime vigu integreeritud vooluahelates.

Katoodluminestsentsi kasutatakse ka materjali pinnapealsete plasmonite resonantsi uurimisel metallilistes nanoosakestes. ^[4] Metalli nanoosakeste pinna plasmonid võivad valgust kiirata või neelata, kuid antud protsess on erinev pooljuhtides toimuvast. Samuti on katoodluminestsentsi ära kasutatud, et kaardistada lokaalset pinget tasapinnalistes dielektrilistes optiliselt aktiivsetes kristallides ja nanostruktuurides. ^[5]

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

↑ Füüsikaleksikon "Katoodluminestsents"
↑ Mitsui, T; Sekiguchi, T; Fujita, D; Koguchi, N. (2005). "Comparison between electron beam and near-field light on the luminescence excitation of GaAs/AlGaAs semiconductor quantum dots". Jpn. J. Appl. Phys. 44: 1820–1824. Bibcode:2005JaJAP..44.1820M. DOI:10.1143/JJAP.44.1820.{{cite journal}}: CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link)
↑ Klein, C. A. (1968). "Bandgap dependence and related features of radiation ionization energies in semiconductors". J. Appl. Phys. 39: 2029–2038. Bibcode:1968JAP....39.2029K. DOI:10.1063/1.1656484.
↑ García de Abajo, F. J. (2010). "Optical excitations in electron microscopy". Reviews of Modern Physics. 82: 209–275. arXiv:0903.1669. Bibcode:2010RvMP...82..209G. DOI:10.1103/RevModPhys.82.209.
↑ Sapienza, R.;Coenen, R.; Renger, J.; Kuttge, M.; van Hulst, N. F.; Polman, A (2012). "Deep-subwavelength imaging of the modal dispersion of light". Nature Materials. 11: 781–787. Bibcode:2012NatMa..11..781S. DOI:10.1038/nmat3402. PMID 22902895.{{cite journal}}: CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link)

Lisa lugemist[muuda | muuda lähteteksti]

opik.fyysika.ee "Luminestsents - külm helendus"
Scanning Electron Microscopy - Cathodoluminescence (SEM-CL)
[APPLIED PHYSICS

REVIEWS 4, 031103 (2017)]

[1] Füüsikaleksikon "Katoodluminestsents"

[2] Mitsui, T; Sekiguchi, T; Fujita, D; Koguchi, N. (2005). "Comparison between electron beam and near-field light on the luminescence excitation of GaAs/AlGaAs semiconductor quantum dots". Jpn. J. Appl. Phys. 44: 1820–1824. Bibcode:2005JaJAP..44.1820M. DOI:10.1143/JJAP.44.1820.{{cite journal}}: CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link)

[3] Klein, C. A. (1968). "Bandgap dependence and related features of radiation ionization energies in semiconductors". J. Appl. Phys. 39: 2029–2038. Bibcode:1968JAP....39.2029K. DOI:10.1063/1.1656484.

[4] García de Abajo, F. J. (2010). "Optical excitations in electron microscopy". Reviews of Modern Physics. 82: 209–275. arXiv:0903.1669. Bibcode:2010RvMP...82..209G. DOI:10.1103/RevModPhys.82.209.

[5] Sapienza, R.;Coenen, R.; Renger, J.; Kuttge, M.; van Hulst, N. F.; Polman, A (2012). "Deep-subwavelength imaging of the modal dispersion of light". Nature Materials. 11: 781–787. Bibcode:2012NatMa..11..781S. DOI:10.1038/nmat3402. PMID 22902895.{{cite journal}}: CS1 hooldus: kasutab parameetrit autorid (link)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]