Реферати українською » Физика » Світлове випромінювання в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній областях спектру


Реферат Світлове випромінювання в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній областях спектру

Страница 1 из 3 | Следующая страница

План

 

Запровадження

1. Формуваннякатодолюминесцентного випромінювання

1.1 Генерація нерівноважних носіїв заряду

1.2 Рух і рекомбінація нерівноважних носіїв

2. Просторове дозвілкатодолюминесцентной мікроскопії

3. Методика експериментальних досліджень

4.Информативность сигналукатодолюминесценции

4.1 Інтенсивність сигналу інтегральноїкатодолюминесценции

4.2Спектральний склад сигналукатодолюминесценции

Укладання

Література


 

Запровадження

Явищекатодолюминесценции (>КЛ) — виникнення світлового випромінювання в ультрафіолетової, видимої і інфрачервоної областях спектра під впливом електронного опромінення — відомо здавна. Спочатку інтерес до цій галузі був із дослідженням та використанням люмінофорів. У процесі рішення практичної завдання створення оптимальних покриттів екранів електронно-променевих трубок досліджувалося процесиизлучательной рекомбінації й особливо зонної структури напівпровідникових сполук. А сам методкатодолюминесценции, поряд з іншими методами, такі якфотолюминесценция, оптичне поглинання і відбиток світла, зайняв міцне місце у дослідницької практиці щодо зонної структури твердого тіла (головним чином тих енергетичних рівнів, які беруть участь у процесахизлучательной рекомбінації).

Останнім часом у зв'язку з швидким розвитком оптоелектроніки інтерес докатодолюминесценции істотно зріс. Створення високоефективних напівпровідникових лазерів і світлодіодів, що становлять багатошарові структури з товщиною верств в одиниці чи кільканадцять мікрометрів, зажадало розробки методів, які володіли б високоїлокальностью і давали можливість контролювати всередині цих верств розподіл центрівизлучательной рекомбінації, створюваних спрямованим запровадженням активних домішок у процесі вирощування. У цьому сенсі великі можливості надала растрова електронна мікроскопія.

Особливості побудови зображення нарастровом електронному мікроскопі (РЕМ) полягають у його істотних відмінностях від загальновідомих оптичних і просвітчастих електронних мікроскопів. У РЕМ, схема якого приведено на рис. 1, відсутня яка відображає оптична система, що у інших мікроскопах забезпечує однозначне відповідність між точками об'єкту і точками зображення.

У РЕМ електромагнітні лінзи лише служать на формування тонкого електронного зонда (до 2 нм), що за допомогоюотклоняющей системи заштриховує весь спостережуваний ділянку об'єкта поруч паралельних рядків - растром, аналогічним растрові в телевізійної трубці.

Через війну взаємодії електронів первинного пучка з об'єктом постає цілий ряд явищ — вторинна електронна емісія, характеристичний рентгенівське випромінювання,катодолюминесценция та інших. (рис 2), кожна з яких можна використовувати для модуляції інтенсивності на екрані.


Дослідження зображень в РЕМ під час використання різних сигналів дозволяє при мінімальних вимоги до зразком отримувати різноманітну інформацію, наприклад, під час використання емісії вторинних електронів — про топографії поверхні, і розподілі електричних і магнітних полів, під час використання що проглядали електронів — складу об'єкту і, нарешті, під час використання ефектуканалирования первинних електронів пучка — про кристалічною структурі об'єкта.

>Сфокусированний електронний зонд дозволяє істотно обмежити (локалізувати) область генерації світла, і в спосіб досліджувати розподіл люмінесцентних властивостей поверхнею об'єкта. Останнє можна було під час використання растрового електронного мікроскопа через наданої їм можливості отриманняелектронно-микроскопического зображення об'єкта в люмінесцентному сигналі і точного позиціонування електронного зонда лежить на поверхні об'єкта з його зображенню.

Щоб сформувати зображення можна використовувати будь-який вторинний сигнал від об'єкта, що виникає через електронного опромінення об'єкта, наприклад сигнал від вторинних електронів, світлового і рентгенівського випромінювання та ін.Яркость даної точки зображення визначається величиною використовуваного сигналу, що виходить із відповідної точки об'єкта. Для побудови зображення необхідно однозначне відповідність між положеннями електронного зонда на об'єкті та крапками зображенні на екрані.

Іншим відзнакою РЕМ є можливість одночасного отримання зображень однієї й тієї ж об'єкта у різних сигнали, і навіть притаманна РЕМ дуже велике глибина різкості (в 10-100 разів більше, ніж в оптичного мікроскопа), що виключає спеціальні вимоги до якості поверхні досліджуваного об'єкта. Єдиним передумовою отримання зображення на РЕМ служить наявність достатньої електропровідності поверхнею об'єкта, які забезпечують можливістьстекания внесеного електронним зондом електричного заряду, у разі діелектриків досягається напилюванням на об'єкт тонкій металевій плівки.


1. Формуваннякатодолюминесцентного випромінювання

>Катодолюминесценция – це емісія світла, що виробляється атомом збудженою електроном із високим енергією. Спроможність докатодолюминесценции мають гази, молекулярні кристали, органічні люмінофори,кристаллофосфори, протекристаллофосфори стійки до дії електронного пучка й прокурори дають достатню яскравість світіння. Саме які й застосовують у ролікатодолюминофоров.

>Катодолюминесценция виявлено у середині 19 в. до відкриття електрона; пучок електронів, викликає світіння скляних стіноквакуумированних трубок, називали катодними променями, і тому саме світіння назваликатодолюминесценцией. Як фізичне явище вперше розпочав студіювати ВільямКрукс (W.Crookes) 70-х рр. 19 в.

Три фундаментальних процесу беруть участь у створенніКЛ-емиссии. Це - генерація, рух і рекомбінація нерівноважних носіїв заряду. Розглянемо ці процеси окремо.

1.1 Генерація нерівноважних носіїв заряду

>Падающие на об'єкт швидкіоблучающие електрони з допомогою взаємодії з матеріалом об'єкта перетерплюють втрати енергії і гальмуються. Для спрощення оцінок втрат енергії зазвичай використовується модель безупинної передачі енергії від первинного електрона об'єкту й відповідна середня втрата енергії електроном на одиницю шляху вздовж траєкторіїs впливом всіх механізмів втрат енергії виражається формулою Бете:

 (1)


де е - заряд електрона, - числоАвогадро, - щільність матеріалу об'єкта, А - атомний вагу, Z - атомний номер, Є - середня енергія електрона іJ - середній потенціал іонізації.

У сфері втрат енергії, яку ще називають областю порушення, протікають викликані електронної бомбардуванням різноманітні вторинні процеси з допомогою електронних переходів в об'єкті. Розмір області порушення близький за величиною до глибині проникнення первинних електронів Re і можна оцінити за такою формулою:

 (2)

де A вимірюється м міль-1, – м див-3 і E0 – вкеВ. На малюнку 3 наведено залежності величини Re від енергії падаючих електронів декому матеріалів.


Форма області порушення залежить від атомного номери матеріалу об'єкту і змінюється відгрушеподобной для матеріалів з низьким атомним номером, стаючи далі близька до сферичної для матеріалів з 15 < Z < 40 іполусферической для матеріалів з вищим атомним номером. Слід зазначити істотну різницю у форми і розмірах області порушення длятонкопленочних і масивних об'єктів (рис. 4).

Розміри області, де має місце той чи інший вторинний процес, інакше, області генерації супутнього йому сигналу визначаються енергією активації цього процесу. У напівпровідниках розсіяна в об'єкті енергія падаючих електронів може частково вдатися до освіту нерівноважнихелектронно-дирочних пар, викликаючи цим істотне збільшити кількість рухливих носіїв заряду.Валентние електрони можуть перекладатися з різних рівнів валентною зони різні рівні зони провідності, але що лежать вище за максимальний рівень електронів, народжених з допомогою теплових генерувальників, що робить середня енергія освіти однієїелектронно-дирочной пари Eі кілька перевищує ширину забороненої зони Eg і дорівнює:

, (3)


де 0 < M < 1еВ і від матеріалу об'єкта, залишаючись незалежної від енергії падаючих електронів. ЗначенняEi декому матеріалів такі (в дужках наведено значенняEg при 300 До):InSb — 0.42еВ (0.16еВ),РЬS — 2.05еВ (0.41еВ),GaAs — 4.6еВ (1.43еВ),CdTe —4.65еВ (1.5еВ),GаР - 7.8еВ (2,24еВ). У електронному мікроскопі середня енергія освіти однієїелектронно-дирочной пари значно коротші енергії падаючого електрона і тільки електрон з енергією 10-20кеВ небалістичною траєкторією свого руху на об'єкті може створити кілька тисячелектронно-дирочних пар. Ця величина є чинником генерації та дається вираженням:

 , (4)

де описує втрати енергії з допомогою відображення електронів від об'єкта.

Крім генераціїелектронно-дирочних пар швидкі електрони пучка можуть спричинить локального розігріву об'єкту і зміни структури та властивостейоблучаемой області, особливо у сфальцьованому режимі роботи мікроскопа, викликаючи, наприклад, зміна люмінесцентних характеристик.

1.2 Рух і рекомбінація нерівноважних носіїв

Виниклінеравновесние носії заряду вполупроводнике набувають спрямоване рух з допомогоюдиффузионних ідрейфових процесів і водночасрекомбинируют через повернення електронів в вільні стану в валентною зоні, у результаті зникають вільний електрон і вільна дірка. У разі термодинамічної рівноваги процеси генерації і рекомбінації повністю врівноважуються. Залежно від механізму розрізняють три виду рекомбінації:межзонная рекомбінація, рекомбінація через локальні наукові центри й поверхнева рекомбінація. Залежно від цього, потім витрачається що виділятимуться при рекомбінації енергія, рекомбінація то, можливоизлучательной зиспусканием кванта світла, ібезизлучательной з передачею енергії решітці (освітуфононов) чи третьому вільному носію, щодо останнього вона називається ударної чирекомбинациейОже.

При безупинному опроміненні і нерухомому електронному зонді на зразку у тому внаслідок цих процесів створюється стаціонарне розподіл нерівноважних електронів і дірок, підпорядковано в найпростішому разі тривимірномудиффузионному рівнянню, яке напівпровідникаp-типа має вигляд:

 (5)

з граничним умовою лежить на поверхні

, (6)

де - щільність неосновних нерівноважних носіїв заряду; D — коефіцієнт дифузії; - тривалість життя неосновних носіїв заряду; - швидкість поверхневою рекомбінації; - функція генерації нерівноважних носіїв заряду (функція джерела), обумовлена параметрами електронного зонда і процесами розсіювання електронів в об'єкті, чи інші словами, функція розподілу щільності втрат енергії електронів в об'єкті;z - координата, спрямована вглиб зразка.Уравнение (5) справедливо і під час наступних дві умови:

1) тривалість життя залежить від , що виконується досить добре при малому рівні порушення, тобто. коли , де — рівноважна концентрація дірок;

2) внутрішні електричні поля була в об'єкті відсутні, тобто. електрони і дірки рухаються тільки завдяки традиційному дифузії.

ІнтенсивністьКЛ-емиссии зазвичай приймається пропорційної і записується як:

 , (7)

де A і B враховують відповідно поглинанняКЛ-излучения за його виході через товщу об'єкту і його відбиток від поверхні кордону розділуобъект-вакуум, а своїм внутрішнім квантовим виходом, рівним відношенню темпуизлучательной рекомбінації до повного темпу рекомбінації, що є сумою темпуизлучательной рекомбінації і темпів на всіх каналахбезизлучательной рекомбінації. Розмір зазвичай виражається через часи життя (>излучательное) і (>безизлучательное):

 , де ,

звідки

 (8)

Для розрахунку за такою формулою (7) треба зазначити точне рішення рівняння (3). Нині існують точні аналітичні розрахунки для однорідної матеріалу, колидиффузионная довжина неосновних носіїв заряду постійна, і найпростіших граничних умов (4) для точечної джерела й у сферичного із постійною щільністю пар. При розрахунках часто приймають Цими результатами можна скористатися і за довільній функції джерела, але у тому випадку, коли кордону розташовуються джерела на відстанях, великих L і перевищують розміри області генерації пар.

Крім інтенсивностіКЛ-емиссия характеризується спектральним складом випромінювання. Енергія фотонів отже, спектрКЛ-излучения містять інформацію про характеристичних енергетичних рівнях, наявних у об'єкті.Излучательние переходи можна розділити на два класу: власні (фундаментальні) іпримесние. До власним переходами ставляться переходизона-зона із фотона з енергією, рівної Eg, де Eg - ширина забороненої зони, і рекомбінація вільногоекситона із фотона з енергією

>hv=Eg - Ex,

де Ex — енергія іонізаціїекситона. Непрямозонних напівпровідниках, як-от, наприклад,GaP, фундаментальне випромінювання дуже слабке, оскільки на відміну відпрямозонних напівпровідників, як-отGaAs, при рекомбінації електрона і дірки обов'язково має відбуватися освітуфонона, а поява додаткової частки різко зменшує ймовірність процесу (рис. 5). Тому власне випромінювання непрямозонних напівпровідниках щодо слабке, особливо у порівнянні з випромінюванням, що з домішками і дефектами.


Допримесним переходами ставляться переходи через рівні, розташовані всередині забороненої зони, які виникають з допомогою присутності матеріалі атомів різних домішок, зокрема донорів і акцепторів, чи структурних дефектів і може бути дрібними, розташованими у країв зон, чи глибокими, які розміщені ближче до середини забороненої зони.Рекомбинанионной емісії із перших відповідають фотони з енергією близька до Eg,рекомбинационной емісії зі других — фотони з енергією значно нижчою, ніж Eg. При кімнатної температурі таке випромінювання може бути зроблене значно більше інтенсивним, ніж власне, навіть упрямозонних матеріалах. Такі домішки, активуючі люмінесценцію, називаютьактиваторами, і вже цим часто мають термінології, що злюминофорами. У присутності домішок можуть утворюватися пов'язані нимиекситони, при рекомбінації яких виникають фотони з енергією

,

де — енергія зв'язкуекситона зпримесним атомом, — енергіяемиттируемихфононов іm — числофононов. У реальних матеріалах домінуючим випромінюванням є випромінювання з допомогою домішкових переходів через рівні домішок і дефектів.


2. Просторове дозвілкатодолюминесцентной мікроскопії

Крім основнихспектроскопических характеристик системи аналізу світлового випромінювання, як-от повна спектральна передатна характеристика системи, спектральне дозвіл гранична чутливість, установка на дослідження мікрокатодолюминесценции характеризується ще однією дуже важливим параметром, саме, величиною просторового дозволу чилокальностью збору інформації, тобто. мінімальним відстанню між двома деталями об'єкта, які можна розрізнити за сигналомКЛ-емиссии.

Дозвіл вкатодолюминесцентном режимі РЕМ залежить й не так від розміру перерізу первинного електронного пучка на об'єкті, як від розміру області генераціїелектронно-дирочних пар із наступним дифузією. У матеріалах з великим квантовим виходом розмір реальної області генерації пар може істотно перевищувати розміри початкової області генерації пар під впливом електронів пучка з допомогою фотонного перенесення — явища порушення нерівноважних носіїв заряду з допомогоюперепоглощения іпереизлучения власногорекомбинационного випромінювання, коли час акта випромінювання — поглинанняелектронно-дирочная пара «переміщається» в об'єкті напролетаемоефотоном відстань. За відсутності явищапереизлучения область генерації пар практично збігаються з областюдиссипации енергії первинних електронів, й подальше переміщення пар відбувається поза рахунок дифузії. При значної дифузійної довжині розмір областіинжектированних носіїв може істотно перевищувати розмір перерізу первинного електронного пучка на об'єкті.

Через дрібниці сигналуКЛ, особливо в матеріалів малим внутрішнім квантовим виходом, до роботи на режимі локальноїКЛ використовують підвищені (10-6 — 10-8 А) струми електронного зонда. Це спричиняєуширению електронного пучка на об'єкті і вносить додаткову лепту в погіршення просторового дозволу. Просторове дозвіл у тому режимі можна означити як геометричну суму поперечного розміру електронного зонда на об'єкті, поперечного розміру області розсіювання енергії електронів зонда, яка покладався рівної глибині проникнення електронів в об'єкт Re, — і дифузійної довжини неосновних носіїв заряду L. Оцінка давала завищене значення просторового дозволу, але в практиці реалізовувалося значно більше високе значення дозволу. Наприклад, дляn-GaP з L =3,5мкм при 20 кВ реально було отримано дозволу в 1.5мкм замість 6мкм, одержуваних при розрахунку методом геометричній суми.

Пізніше було побудовано формальна теорія просторового дозволу поїхав у режимі локальноїКЛ, джерело якої в критерії дозволу двох точок в просвітчастої електронної

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація