Термо-, фото-, рентгено- и катодолюминесценция, страница 4

Катодолюминесценция (КЛ) была обнаружена в начале 1880-х годов В. Круксом при исследовании им газового разряда в кварцевой трубке между катодом и сетчатым анодом. Им наблюдалось яркое свечение части кварцевой трубки, расположенной за анодом. В то время еще не знали о существовании электронов. Поэтому обнаруженное свечение интерпретировали как результат воздействия на материал трубки неких «катодных» лучей. Впоследствии выяснили, что эти «катодные» лучи представляют собой поток электронов, проходящих сквозь сетчатый анод. Тем не менее, название люминесценции сохранилось до сих пор.

В настоящее время наиболее широко используется стационарная КЛ. Для ее возбуждения применяются стационарные потоки (пучки) электронов (длительностью до нескольких минут, генерируемые электронными пушками с холодным катодом при ускоряющем напряжении U₀ = (4÷15) кВ и токе электронов i_e = (0,1÷1) мкА. Под действием ускоряющего напряжения эмитируемые катодом электроны приобретают максимальную энергию, равную:

,                                                            (2)

где е – заряд электрона. Электроны с такой энергией эффективно рассеиваются на атомах и молекулах атмосферного газа, поэтому облучение вещества осуществляют в вакууме при остаточном давлении газа не выше 10^-1¸10^-3 Па. На поверхности образца электронный пучок фокусируют в пятно диаметром Æ(1÷50) мкм, регулируя плотность тока j_e от 10^-2 до 10² А/см².

Процесс возбуждения стационарной КЛ упрощенно представляется следующим образом. Первичный электрон, генерируемый электронной пушкой, попадая в вещество, расходует свою энергию на его ионизацию, создавая каскад вторичных электронов (электронно-дырочных пар), скорость генерации которых равна:

.                                                                        (3)

Здесь d_e – глубина проникновения первичных электронов в вещество, e_i - средняя энергия ионизации. В случае диэлектриков и полупроводников e_i = 2,8·E_g + M является энергией образования электронно-дырочной пары. Коэффициент М (0<M<1эВ) зависит от материала образца, но не зависит от энергии падающих электронов. Значение М для большинства веществ не известно, поэтому при расчетах часто пользуются более простым эмпирическим выражением для e_i» 3 E_g. E_g - ширина запрещенной зоны.

Возбуждение люминесценции, а также нагрев вещества происходят в последующих актах преобразования энергии вторичных электронов. Часть вторичных электронов вырывается с поверхности образца и не участвует непосредственно в процессах возбуждения. Тем не менее, их роль велика, так как в условиях вакуума без покидающих поверхность электронов наблюдение стационарной КЛ невозможно. Это связано с тем, что бомбардируемая первичными электронами поверхность образца-диэлектрика заряжается отрицательно. Накопившийся заряд начинает отталкивать первичные электроны и появившееся в начале свечение гаснет. Такое явление стабильно наблюдается при энергии первичных электронов E₀ < 1 кэВ. С повышением E₀ число вторичных электронов, покидающих образец, становится равным или большим числа первичных. Эти вторичные электроны «отсасываются» ускоряющим электродом электронной пушки, препятствуя образованию на поверхности образца отрицательного заряда и электрического потенциала, запирающего поток первичных электронов. При динамическом равновесии между потоками первичных и удаляемых от поверхности образца вторичных электронов реализуется стационарный поток мощности возбуждения. При этом энергетическая яркость (B_e) катодолюминесценции и интенсивности спектральных полос (I_n), в общем случае, изменяются пропорционально потоку мощности первичных электронов (P_e):

.                                     (4)