Катодолюминесценция – люминесценция, возникающая при возбуждении люминофора электронным пучком. Один из видов радиолюминесценции. Первоначальное название пучка электронов – катодные лучи, отсюда термин «катодолюминесценция». Способностью к катодолюминесценции обладают газы, молекулярные кристаллы, органические люминофоры, кристаллофосфоры, однако только кристаллофосфоры стойки к действию электронного пучка и дают достаточную яркость свечения. Именно они и применяются в качестве катодолюминофоров.

Для возбуждения катодолюминесценции достаточно, чтобы энергия возбуждающих электронов в ~ 1,5 раза превышала ионизационный потенциал кристаллофосфора. Однако применение таких медленных электронов не позволяет получать устойчивую катодолюминесценцию: электроны очень быстро заряжают поверхность люминофора отрицательно, и в результате возбуждающие электроны, отталкиваясь от неё, тормозятся и теряют энергию. При больших же энергиях электронов на поверхности люминофора возникает вторичная электронная эмиссия, и заряд люминофора уносится вторичными электронами. Поэтому в практике применяются пучки электронов с энергией от 100эВ до 25кэВ, а в некоторых случаях, например в оптических квантовых генераторах, – до 1МэВ.
Обладающие высокой энергией электроны, взаимодействуя с атомами решётки люминофора, ионизуют их, создавая второе поколение электронов, которые, в свою очередь, ионизуют другие атомы. Этот процесс продолжается до тех пор, пока энергия вырванных из атома электронов достаточна для ионизации. Электроны тормозятся в тонком слое люминофора (тоньше 1мкм), поэтому плотность возбуждения очень высока. Образовавшиеся в результате ионизации дырки и электроны мигрируют по решётке и могут захватываться центрами свечения. При рекомбинации на центрах свечения электронов и дырок и возникает катодолюминесценция. Центры свечения при катодолюминесценции те же, что и при фотовозбуждении, поэтому спектр катодолюминесценции аналогичен спектру фотолюминесценции. КПД катодолюминесценции обычно составляет 1–10%, основная же часть энергии электронного пучка переходит в тепло.
 

Катодолюминесценция широко применяется в технике, особенно в вакуумной электронике. Катодолюминесценцией обусловлено свечение экранов черно–белых и цветных телевизоров, различных осциллографов, фотоэлектронных умножителях, электронно–оптических преобразователей и т.п. Явление катодолюминесценции положено в основу создания оптических квантовых генераторов, возбуждаемых электронным пучком, на AsGa, CdS, ZnS и других.

Помимо этого катодолюминесценция как метод применяется в физическом эксперименте для исследования люминесцентных свойств различных полупроводниковых и диэлектрических материалов. Данные работы вначале проводились с использованием широких (до нескольких миллиметров в диаметре) электронных пучков, и лишь позднее для возбуждения светового излучения был применен тонкий, сфокусированный электронный зонд, что позволило существенно ограничить (локализовать) область генерации света и таким образом уже исследовать распределение люминесцентных свойств по поверхности объекта. Последнее стало возможным при использовании растрового электронного микроскопа из–за предоставляемой им возможности получения электронно–микроскопического изображения объекта в люминесцентном сигнале и точного позиционирования электронного зонда на поверхности объекта по его изображению.

Катодолюминесцентная эмиссия характеризуется спектральным составом излучения. Энергия фотонов и, таким образом, спектр катодолюминесцентного излучения содержат сведения о характеристических энергетических уровнях в объекте.

Сульфид кадмия, легированный теллуром представляет интерес из–за возникновения красной люминесценции с высоким квантовым выходом. В литературе были данные по люминесценции кристаллов CdS_1–xTe_x при малом содержании теллура (x<0,01). Целью работы явилось изучение люминесценции поликристаллических образцов твердых растворов на основе CdS по разрезу CdS–CdTe (CdS_1–xT_ex) при большом содержании теллура, до x=0,08.
В работе были синтезированы образцы CdS_1–xTe_x (0,0025люминесцентных свойств). Гомогенизирующий отжиг производили при температуре 1073К в течение 500 часов. По данным рентгенофазового анализа, образцы представляют собой твердые растворы на основе CdS со структурой вюртцита, примесных фаз не обнаружено.
В спектре катодолюминесценции при температуре 298К у чистого сульфида кадмия имеется полоса при 508нм – краевое излучение. У твердых растворов помимо этой полосы в спектре появляются полосы при 640 нм и 735 нм (x=0,0025). При увеличении значения x краевое излучение исчезает, полосы 640 нм и 735 нм смещаются в длинноволновую область. Для температуры 78 К при малых содержаниях теллура (x=0,0025) преобладает полоса при 600 нм, при увеличении содержания теллура до x=0,02 ее интенсивность уменьшается, и преобладает полоса при 670 нм. По сравнению с образцами бедными теллуром, для образцов с x=0,08 в спектрах катодолюминесценции преобладают полосы при 720 и 750 нм, отсутствуют линии краевого излучения (485–508 нм) и полоса 600 нм.
Таким образом, теллур при большом его содержании создает глубокие уровни в запрещенной зоне CdS, что приводит к появлению в спектрах катодолюминесцентных полос в красной (720 и 750 нм) области спектра.

Рассмотрим особенности построения изображения в растровом электронном микроскопе (РЭМ) из–за его существенных отличий от общеизвестных оптических и просвечивающих электронных микроскопов. В РЭМ отсутствует отображающая оптическая система, которая в других микроскопах обеспечивает однозначное соответствие между точками объекта и точками изображения. В РЭМ электромагнитные линзы лишь служат для формирования тонкого электронного зонда, который с помощью отклоняющей системы заштриховывает весь наблюдаемый участок объекта рядом параллельных строк – растром, аналогичным растру в телевизионной трубке. По такому же растру синхронно происходит движение электронного пучка по экрану электронно–лучевой трубки видеоконтрольного устройства микроскопа, где уже формируется изображение объекта. Для его формирования может использоваться любой вторичный сигнал от объекта, возникающий из-за электронного облучения объекта, например сигнал от вторичных электронов, светового и рентгеновского излучения и другие. Яркость данной точки изображения определяется величиной используемого сигнала, исходящего из соответствующей точки объекта. Однозначное соответствие между положениями электронного зонда на объекте и точками на изображении достигается за счет синхронности разверток электронных пучков на объекте и экране.

Другим отличием растрового электронного микроскопа (РЭМ) является возможность одновременного получения изображений одного и того же объекта на экранах разных трубок в различных сигналах, а также присущая РЭМ очень большая глубина резкости (в 10–100 раз больше, чем у оптического микроскопа), что исключает специальные требования к качеству поверхности исследуемого объекта. Единственным условием для получения изображения в РЭМ является наличие достаточной электропроводности по поверхности объекта, обеспечивающей возможность стекания вносимого электронным зондом электрического заряда, что в случае диэлектриков достигается напылением на объект тонкой металлической пленки.

Рассматривая РЭМ, стоит также отметить одну из важных характеристик катодолюминесценции в узких электронных пучках, а именно степень локальности получаемой информации об объекте (в микроскопии этот параметр называют пространственным разрешением). По логике поперечный размер излучающего объема будет определяться соответствующим размером области, где существуют неравновесные носители заряда, включающей область их генерации и последующей диффузии. Обычно этот размер вычисляется как геометрическая сумма размера электронного зонда на объекте, поперечного размера области генерации носителей, приблизительно равного по величине глубине проникновения электронов в объект, и диффузионной длины неосновных носителей заряда. Однако диффузионное размытие носителей существенно ограничивается из–за оттока носителей на поверхность и их безызлучательной рекомбинации там. В результате на практике в катодолюминесцентном режиме растрового электронного микроскопа (РЭМ) реализуется довольно высокое значение пространственного разрешения. Так, при 1 кВ на массивном объекте было реализовано в РЭМ в катодолюминесцентном режиме значение пространственного разрешения в 60 нм. Еще более высокие результаты могут быть достигнуты на тонких объектах. Тем не менее значение пространственного разрешения, реализуемого при работе в наиболее распространенном в РЭМ режиме вторичной электронной эмиссии (2–5 нм) и обычно приводимого в проспектах по РЭМ, в режиме катодолюминесценции остается недостижимым. Рекордным для люминесценции следует считать значение пространственного разрешения, достигнутое в сканирующем туннельном микроскопе, однако там имел место отличный от катодолюминесценции механизм возникновения люминесценции.