阴极发光基本原理

了解您需要的有关阴极发光的所有信息,包括它是如何产生的,如何有效利用阴极发光以及如何应用于各个领域。

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什么是阴极发光?

强大的技术和对材料或有机体内发生的活动的可视化度量。


阴极发光(CL)是电磁波的紫外线(UV)到近红外(NIR)范围内的光或电磁辐射,由电子束的快速电子(阴极射线)产生

当电子束(例如来自扫描电子显微镜的电子束)与材料(大块的,厚的或薄的)相互作用时,会发生多种多样的过程,这些过程可用于各种显微镜观察。除电子信号外,各种非相干和相干过程还会生成宽范围的电磁辐射。

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如何对阴极发光成像

阴极发光最通常在扫描电子显微镜中进行。在装有您感兴趣的样本的真空室中,电子束聚焦在样本上。

然后,样本在电子束作用下所产生的光必须用收集光学器件(例如反射镜或物镜)采集,或由腔室内的阴极发光检测器直接捕获。当通过光学元件收集光时,光会被导向至一个光检测元件,例如光电倍增管(PMT),光谱仪或照相机。

SPARC光谱仪就是一个这样的检测器,可以将其改装为任何扫描电子系统(SEM)以产生高性能的阴极发光图像。阴极发光检测的独特之处在于其易于使用以及其最优化的阴极发光发射的收集和检测。灵敏性和易用性使得阴极发光的任何应用都有可能提高到一个新水平。

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阴极发光和其他基于电镜的技术

利用电子设备激发材料时发生的信号,现今已经有各种各样的电镜技术面世。其中最常用的技术,例如二次电子(SE)和背向散射电子(BSE)检测,电子背向散射衍射(EBSD)和能量色散X射线成像(EDS),都可以用来获取材料的各种信息。

二次电子(SE)检测是对低能电子的检测,利用它可以仅从材料的顶部几纳米收集二次电子。该技术对表面形貌很敏感,并且还显示(较小的)材料对比度。

背向散射电子(BSE)检测主要对密度和原子序数敏感,因此可用于获得材料对比度。

使用电子背散射衍射(EBSD),您可以查看晶体结构和晶体取向。能量色散X射线光谱(EDS)可探测材料中的核转变,因此可用于定量元素分析。

阴极发光可以为这些技术提供独特的补充信息。首先,它可以观察到0.5到6 eV的发射能量范围,其中包括许多重要的物理过程。例如,可以获得有关组成,晶体结构和电子带隙的信息。此外,使用阴极发光可以灵敏地检测痕量元素或掺杂剂,因为它们的光学跃迁与其所嵌入的块状材料的光学跃迁不同。类似地,阴极发光可用于查看晶体缺陷,因为它们会改变材料的局部光学性质。借助阴极发光,您还可以在一系列(共振)光子和等离子体系统中成像光学共振和引导模式。结合其他基于电镜的技术,阴极发光可进行非常完整的材料分析。另外,它还可以用作更耗时和更昂贵的技术(例如用于定量同位素分析的质谱法)的预筛选工具。

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使用阴极发光你能获取哪些数据?

阴极发光可以用来探索物质的许多基本性质。它可以用于研究光的传输,散射,材料的电子结构,共振现象等等。因此,它为基础研究以及与行业直接联系的应用研究提供了有价值的信息来源。阴极发光检测的不同类型,也称为成像模式,可以为您的样本提供新的洞悉和信息层。这是六种最常用的成像模式。

快速强度成像

获得阴极发光一种常用方式是进行对比强度成像。使用快速PMT检测器进行大规模成像,可快速检查大面积区域并有效查找感兴趣的区域。其中需要使用滤光轮用于光谱区分。

应用:此模式对于矿物学应用十分适用,例如用于观察分区和过度生长。

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高光谱成像

以并行的方式可视化材料的波长分布(光谱)

应用程序:这种成像技术可以帮助您获得有关(纳米)材料的局部光学和结构特性的有用信息,例如半导体以及地质样本(石英砂岩)。

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角度分辨成像

角度分辨阴极发光技术可以研究样本如何发射和散射光。通过摄像机采集到的图像的每个点都对应一个唯一的发射角:因此我们可以根据方向性来表征材料性能。

应用:通过这种成像模式获得的角轮廓在纳米光子学领域非常有价值。

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偏振和偏振滤波光谱

测量光的极化可揭示电磁场朝哪个方向振荡。该技术允许针对不同的发射角测量阴极发光的偏振态(斯托克斯矢量)。

应用:该模式可用于相干,散射和手性的综合测量。

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镜头扫描能量动量(LSEK)成像

该成像模式允许用户获取样本上任何给定位置的角度和波长同时解析的高分辨率数据集。它是通过能量和动量空间以很高的精度跟踪方向性的好工具。

应用:镜头扫描能量动量成像可以应用于各种色散和各向异性(光子)系统,为固态照明、光伏和传感等应用的广泛研究铺平了道路。

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时间分辨阴极发光成像

时间分辨的阴极发光是一种查看阴极发光发射过程的时间动态的技术。使用可选的Lab Cube时间分辨模块或条纹相机可以执行时间分辨成像。 Lab Cube可用于测量时间动态以及发射的g(2)   。

应用:时间分辨阴极发光成像与广泛的应用密切相关,包括用于光伏的半导体,发光器件以及用于量子信息处理和传感的(单个)发射器。

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如何将阴极发光应用到我的研究中?

阴极发光凭借其对材料中一系列基本过程的敏感性,易用性和高空间分辨率,是一种能在很小的长度范围内分析材料特性的非常有用的显微技术。

阴极发光与纳米光子学领域高度相关。它适用于金属以及电介质和半导体纳米结构,包括纳米粒子,纳米线,超分子,超表面和光子晶体。这些结构可用于(生物)传感,荧光增强,非线性光学,低阈值蒸汽产生,LED,太阳能电池,集成光子学,激光等领域。

阴极发光是研究地质样本并获得低至扫描电子显微镜分辨率的额外对比度和光谱信息的理想工具。岩石发出的阴极发光能够洞悉有关晶体生长,带状,胶结,置换,变形,物源,微量元素和缺陷结构的信息。这可用于对岩石进行指纹识别,并以亚微米级显示有趣的空间纹理。阴极发光通常与其他分析工具(例如SIMS,LA-ICP-MS,BSE,EDS,WDS和μCT)结合使用,以更全面地了解所有相关的岩石特性。

陶瓷、电介质和(化合物)半导体在许多器件和功能材料中起着重要作用,其中包括闪烁体,磷光体,大功率电子发光二极管,二极管激光器和太阳能电池。纳米结构化越来越多地用于优化这些材料的光学性能。阴极发光可用于研究这些材料(散装和纳米结构材料)并确定其在纳米级的发光特性。

最后,阴极发光也越来越多地应用于软物质,包括聚合物和生物组织。

如果您需要查找有关阴极发光在各个领域应用的更多信息,请访问此页面并阅读有关特定案例研究的信息。

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阴极发光的样本制备

阴极发光的样本制备过程不是非常复杂,以下是您需要的步骤:

  1. 检查样本是否与真空兼容。如果表面脏了,则可以通过化学清洁或反应性离子蚀刻来帮助清洁。
  2. 检查样本表面是否足够平坦。避免出现较大的差异(> 0.1 mm)。
  3. 样本必须具有足够的导电性,以防止在电镜中产生充电效应。为此,用薄碳或金属薄层涂覆样本效果很好。在某些电镜中可用的低真空模式成像可以减轻充电效果。

地质材料最常用的制备技术是切片(20至30微米)或树脂包埋。

另一方面,人造材料,例如半导体晶片,通常是平坦的并且已经导电,因此在大多数情况下不需要额外的准备。

另外,对于上述材料,我们可以查看粉末形式的材料。将粉末放在碳带上固定,并在需要时用碳或金属涂覆即可。

值得一提的是,制备常规电镜成像的样本也需要用到这些步骤,因此阴极发光成像不需要在电镜成像样本上有任何额外的样本制备工作。