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La catodoluminiscencia es un fenómeno óptico y electromagnético en el que los electrones, al impactar sobre un material luminiscente como el fósforo , provocan la emisión de fotones que pueden tener longitudes de onda en el espectro visible . Un ejemplo familiar es la generación de luz mediante un haz de electrones que escanea la superficie interior recubierta de fósforo de la pantalla de un televisor que utiliza un tubo de rayos catódicos . La catodoluminiscencia es lo inverso del efecto fotoeléctrico , en el que la emisión de electrones se induce mediante la irradiación con fotones.
La luminiscencia en un semiconductor se produce cuando un electrón en la banda de conducción se recombina con un hueco en la banda de valencia. La diferencia de energía (banda prohibida) de esta transición se puede emitir en forma de fotón . La energía (color) del fotón y la probabilidad de que se emita un fotón y no un fonón depende del material, su pureza y la presencia de defectos. Primero, el electrón tiene que ser excitado desde la banda de valencia hacia la banda de conducción . En la catodoluminiscencia, esto ocurre como resultado de la incidencia de un haz de electrones de alta energía sobre un semiconductor . Sin embargo, estos electrones primarios transportan demasiada energía para excitarlos directamente. En cambio, la dispersión inelástica de los electrones primarios en el cristal conduce a la emisión de electrones secundarios , electrones Auger y rayos X , que a su vez también pueden dispersarse. Tal cascada de eventos de dispersión produce hasta 10 3 electrones secundarios por electrón incidente. [1] Estos electrones secundarios pueden excitar electrones de valencia hacia la banda de conducción cuando tienen una energía cinética aproximadamente tres veces la energía de la banda prohibida del material . [2] A partir de ahí, el electrón se recombina con un agujero en la banda de valencia y crea un fotón. El exceso de energía se transfiere a los fonones y, por tanto, calienta la red. Una de las ventajas de la excitación con un haz de electrones es que la energía de la banda prohibida de los materiales investigados no está limitada por la energía de la luz incidente, como en el caso de la fotoluminiscencia . Por lo tanto, en la catodoluminiscencia, el "semiconductor" examinado puede ser, de hecho, casi cualquier material no metálico. En términos de estructura de bandas , los semiconductores clásicos, los aislantes, las cerámicas, las piedras preciosas, los minerales y los vidrios pueden tratarse de la misma manera.
En geología , mineralogía , ciencia de materiales e ingeniería de semiconductores , se puede utilizar un microscopio electrónico de barrido (SEM) equipado con un detector de catodoluminiscencia, o un microscopio óptico de catodoluminiscencia , para examinar las estructuras internas de semiconductores, rocas, cerámicas , vidrios , etc. para obtener información sobre la composición, crecimiento y calidad del material.
Un microscopio de catodoluminiscencia ( CL ) combina un microscopio normal (óptico ligero) con un tubo de rayos catódicos . Está diseñado para obtener imágenes de las características de luminiscencia de finas secciones pulidas de sólidos irradiados por un haz de electrones .
Usando un microscopio de catodoluminiscencia, se pueden hacer visibles estructuras dentro de cristales o tejidos que no se pueden ver en condiciones de luz normales. Así, por ejemplo, se puede obtener información valiosa sobre el crecimiento de minerales. La microscopía CL se utiliza en geología , mineralogía y ciencia de materiales para la investigación de rocas , minerales , cenizas volcánicas , vidrio , cerámica , hormigón , cenizas volantes , etc.
El color y la intensidad del CL dependen de las características de la muestra y de las condiciones de trabajo del cañón de electrones . En este caso, la tensión de aceleración y la corriente del haz de electrones son de gran importancia. Hoy en día se utilizan dos tipos de microscopios CL. Uno trabaja con un " cátodo frío " que genera un haz de electrones mediante un tubo de descarga en corona , el otro produce un haz mediante un " cátodo caliente ". Los microscopios CL de cátodo frío son el tipo más sencillo y económico. A diferencia de otras técnicas de bombardeo electrónico como la microscopía electrónica , la microscopía de catodoluminiscencia fría proporciona iones positivos junto con los electrones que neutralizan la acumulación de carga superficial y eliminan la necesidad de aplicar recubrimientos conductores a las muestras. El tipo "cátodo caliente" genera un haz de electrones mediante un cañón de electrones con filamento de tungsteno. La ventaja de un cátodo caliente es la intensidad del haz de luz, controlable con precisión, que permite estimular la emisión de luz incluso en materiales débilmente luminiscentes (p. ej. cuarzo , ver imagen). Para evitar la carga de la muestra, la superficie debe estar recubierta con una capa conductora de oro o carbono . Esto generalmente se hace mediante un dispositivo de deposición por pulverización catódica o un revestidor de carbón.
En los microscopios electrónicos de barrido, un haz de electrones enfocado incide sobre una muestra y la induce a emitir luz que es recogida por un sistema óptico, como un espejo elíptico. Desde allí, una fibra óptica transferirá la luz fuera del microscopio, donde un monocromador la separa en las longitudes de onda que la componen y luego se detecta con un tubo fotomultiplicador . Al escanear el haz del microscopio en un patrón XY y medir la luz emitida con el haz en cada punto, se puede obtener un mapa de la actividad óptica de la muestra (imágenes de catodoluminiscencia). En cambio, midiendo la dependencia de la longitud de onda para un punto fijo o un área determinada, se pueden registrar las características espectrales (espectroscopia de catodoluminiscencia). Además, si se sustituye el tubo fotomultiplicador por una cámara CCD , se puede medir un espectro completo en cada punto de un mapa ( imagen hiperespectral ). Además, las propiedades ópticas de un objeto pueden correlacionarse con las propiedades estructurales observadas con el microscopio electrónico.
Las principales ventajas de la técnica basada en el microscopio electrónico es su resolución espacial. En un microscopio electrónico de barrido, la resolución alcanzable es del orden de unos pocos diez nanómetros, [3] mientras que en un microscopio electrónico de transmisión (TEM) (de barrido) se pueden resolver características de tamaño nanométrico. [4] Además, es posible realizar mediciones resueltas en el tiempo a nivel de nanosegundos a picosegundos si el haz de electrones se puede "cortar" en pulsos de nanosegundos o picosegundos mediante un supresor de haz o con una fuente de electrones pulsados. Estas técnicas avanzadas son útiles para examinar estructuras semiconductoras de baja dimensión, como pozos cuánticos o puntos cuánticos .
Mientras que un microscopio electrónico con detector de catodoluminiscencia proporciona un gran aumento, un microscopio óptico de catodoluminiscencia se beneficia de su capacidad para mostrar características de color visibles reales directamente a través del ocular. Los sistemas desarrollados más recientemente intentan combinar un microscopio óptico y uno electrónico para aprovechar ambas técnicas. [5]
Aunque los semiconductores de banda prohibida directa , como GaAs o GaN, se examinan más fácilmente mediante estas técnicas, los semiconductores indirectos, como el silicio , también emiten una catodoluminiscencia débil y también pueden examinarse. En particular, la luminiscencia del silicio dislocado es diferente de la del silicio intrínseco y puede usarse para mapear defectos en circuitos integrados .
Recientemente, la catodoluminiscencia realizada en microscopios electrónicos también se está utilizando para estudiar resonancias de plasmones superficiales en nanopartículas metálicas . [6] Los plasmones superficiales de las nanopartículas metálicas pueden absorber y emitir luz, aunque el proceso es diferente al de los semiconductores. De manera similar, la catodoluminiscencia se ha explotado como sonda para mapear la densidad local de estados de cristales fotónicos dieléctricos planos y materiales fotónicos nanoestructurados. [7]
