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La catodoluminiscencia es un fenómeno óptico y electromagnético en el que los electrones que inciden sobre un material luminiscente , como un fósforo , provocan la emisión de fotones que pueden tener longitudes de onda en el espectro visible . Un ejemplo conocido 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 el 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 puede emitirse en forma de fotón . La energía (color) del fotón y la probabilidad de que se emita un fotón y no un fonón dependen del material, su pureza y la presencia de defectos. En primer lugar, el electrón tiene que ser excitado desde la banda de valencia a la banda de conducción . En la catodoluminiscencia, esto ocurre como resultado de un haz de electrones de alta energía que incide sobre un semiconductor . Sin embargo, estos electrones primarios llevan demasiada energía para excitar directamente a los electrones. 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 conduce a hasta 10 3 electrones secundarios por electrón incidente. [1] Estos electrones secundarios pueden excitar a los electrones de valencia en la banda de conducción cuando tienen una energía cinética aproximadamente tres veces la energía de la brecha de banda 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 lo tanto, calienta la red. Una de las ventajas de la excitación con un haz de electrones es que la energía de la brecha de banda de los materiales que se investigan 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, de hecho, ser casi cualquier material no metálico. En términos de estructura de banda , 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 los materiales e ingeniería de semiconductores , se puede utilizar un microscopio electrónico de barrido (SEM) equipado con un detector de catodoluminiscencia, o un microscopio de catodoluminiscencia óptica, para examinar las estructuras internas de semiconductores, rocas, cerámicas , vidrio , etc. con el fin de obtener información sobre la composición, el crecimiento y la calidad del material.
Un microscopio de catodoluminiscencia ( CL ) combina un microscopio (óptico de luz) regular con un tubo de rayos catódicos . Está diseñado para obtener imágenes de las características de luminiscencia de secciones delgadas pulidas de sólidos irradiadas por un haz de electrones .
Mediante un microscopio de catodoluminiscencia se pueden hacer visibles estructuras dentro de cristales o tejidos que no se pueden ver en condiciones de luz normales. De este modo, por ejemplo, se puede obtener información valiosa sobre el crecimiento de minerales. La microscopía de catodoluminiscencia se utiliza en geología , mineralogía y ciencia de los materiales para la investigación de rocas , minerales , cenizas volcánicas , vidrio , cerámica , hormigón , cenizas volantes , etc.
El color y la intensidad de la luz de cátodo frío 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. En la actualidad, se utilizan dos tipos de microscopios de cátodo frío. Uno funciona con un " cátodo frío " que genera un haz de electrones mediante un tubo de descarga de corona , y el otro produce un haz utilizando un " cátodo caliente ". Los microscopios de cátodo frío son el tipo más sencillo y económico. A diferencia de otras técnicas de bombardeo de electrones 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 revestimientos conductores a las muestras. El tipo de "cátodo caliente" genera un haz de electrones mediante un cañón de electrones con filamento de tungsteno. La ventaja de un cátodo caliente es la alta intensidad del haz, que se puede controlar con precisión y que permite estimular la emisión de luz incluso en materiales con luminiscencia débil (por ejemplo, cuarzo ; consulte la imagen). Para evitar que la muestra se cargue, la superficie debe recubrirse con una capa conductora de oro o carbono . Esto se hace generalmente mediante un dispositivo de deposición por pulverización catódica o un recubridor de carbono.
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 se separa en sus longitudes de onda componentes mediante un monocromador 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, al medir 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 el tubo fotomultiplicador se reemplaza por una cámara CCD , se puede medir un espectro completo en cada punto de un mapa ( imágenes hiperespectrales ). Además, las propiedades ópticas de un objeto se pueden correlacionar con las propiedades estructurales observadas con el microscopio electrónico.
Las principales ventajas de la técnica basada en el microscopio electrónico son su resolución espacial. En un microscopio electrónico de barrido, la resolución alcanzable es del orden de unas pocas decenas de nanómetros, [3] mientras que en un microscopio electrónico de transmisión (MET) (de barrido), se pueden resolver características de tamaño nanométrico. [4] Además, es posible realizar mediciones con resolución temporal de nivel de nanosegundos a picosegundos si el haz de electrones se puede "cortar" en pulsos de nano 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 un detector de catodoluminiscencia proporciona un gran aumento, un microscopio de catodoluminiscencia óptica se beneficia de su capacidad de 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 con estas técnicas, los semiconductores indirectos, como el silicio, también emiten una catodoluminiscencia débil y también se pueden examinar. En particular, la luminiscencia del silicio dislocado es diferente de la del silicio intrínseco y se puede utilizar 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 en 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 una sonda para mapear la densidad local de estados de cristales fotónicos dieléctricos planares y materiales fotónicos nanoestructurados. [7]
