3.22　阴极荧光像

由于高能入射电子的照射、轰击等与物质的相互作用而导致的发光被称为阴极荧光（CL）。阴极荧光的发光机理应用在扫描电镜上可用于探测一些发光材料，如3-5族化合物半导体、矿物中的蓝锥矿、硅锌矿、磷灰石、钢铁中的非金属夹杂物和太阳能硅电池中的金属颗粒及某些有机物分子中的缺陷和夹杂物，它比用特征X射线的分析灵敏度至少高出2个数量级。阴极荧光像（CLI）的采集、连接和操作过程也比EBIC的操作显得简单、容易，因为CLI不需要像EBIC那样连接电极和在试样中产生内建电场。对于一些发光材料，当它们被高能电子照射时有的会产生近红外、可见光或紫外光，如蓝锥矿、硅锌矿在高能电子的轰击下会分别发出深蓝和深绿色的光；渗入钨中的氧化钍可以发出蓝色荧光；钢材中的氮化铝会发蓝光、氧化铝会发红光、氧化镁和氧化铝的结晶体会发绿光、氧化铝和氧化钙的结晶体会发蓝光。如果利用这些发光信息来成像，则所得的扫描像就是该试样的阴极荧光像。依据它们的发光点及光的颜色，人们就能比较容易地找到夹杂物所处的位置及对对应的组分进行定点分析。就阴极荧光材料的工业应用来说，常见的有老式电视机显像管的内涂层和透射电镜观察用的荧光板的发光涂层，扫描电镜的E-T SED中的闪烁体的发光涂层（P47），日光灯和节能灯管中的荧光粉及做指示灯用的发光二极管的芯片，还有当前正在大力推广的二极管照明灯中的反射膜层等，这些发光材料多数都是用无机的荧光材料做成的。

阴极荧光的发光机理可用电子能带理论来解释，当高能电子束在试样中受到非弹性散射时，充满价带的电子受激发、提升，跃过禁带，跳到导带上，就在价带中留下空穴，而导带多出电子，形成电子-空穴对，若未能得到固定能量的外电场维持，就会使分离的电子-空穴对随时重新复合。当它们复合时，多余的能量就会以不同波长（颜色）的光释放出来，其频率V为：

V=Egap/h

式中，Egap为常数（如Si的Egap=1.12eV，Ge的Egap=0.66eV，GaAs的Egap=1.42eV，GaN的Egap=3.44eV）；Egap是材料的禁带宽度；h是普朗克常数。

为了能提高接收效率，改善信噪比，对阴极荧光探测器的要求主要有：

（1）若荧光探测器所用的反射碗是抛物面形或椭圆形的结构，则所分析试样的感兴趣部位必须准确定位于抛物面或椭圆面中的一个焦点上，反射的球面角要尽量大，所反射的光线应尽可能多地进入狭缝，因椭圆形的另一焦点往往位于狭缝中。

（2）若采用的是如图3.21.7所示的那种四个小圆柱形的可伸缩CL探测器，使用时应把这四个探测器尽可能对称地拢合在以光轴为中心的四周，所分析试样的感兴趣部位应尽量靠近探测器所围成的中心位置，即尽可能增大探测器的接收立体角，尽量提高接收效率，改善信噪比。

（3）若采用的是如图3.22.1（a）图所示的那种阴极荧光探测器，其与所分析的试样感兴趣部位之间的距离应使它处于椭圆反射碗的一个焦点上。

（4）光电倍增管的增益要高，所以要求探测器光导管两端连接面的耦合要好，尽可能减少因接触面之间光通量的相互反射而导致的信号损失。

（5）阴极荧光像的衬度是同能够产生辐射的复合中心密度有关的，材料的复合中心都会导致发光强度改变而产生衬度效应。如GaAs材料中的位错在荧光像中呈亮点，而做成发光器件后，其缺陷部位在荧光像中通常会呈现暗点或暗线。

阴极荧光像的分辨力与电镜的加速电压、试样所发出的光的波长、探测器的灵敏度等参数都有密切的关系，其分辨力在0.2～2μm之间。影响阴极荧光像分辨力的主要因素有：

（1）多数试样要在不小于10nA的束流和不小于15kV的电压下进行观察，S/N才会比较好，但若使用较低的加速电压和较小的入射束斑，试样上受激发的作用区域就会比较浅和小，其几何分辨力一般会比较高，但S/N可能会变差。

（2）试样的平均原子序数越低入射束的扩散区域会越大，分辨力越差，反之则分辨力会越高。

（3）试样的基体温度越低，入射束的扩散区越小，发光的强度和波长也会相对稳定，其分辨力也会高一些。

（4）试样所发出的荧光波长越短，余辉时间越短，其分辨力也越好。

（5）探测器的灵敏度越高（特别是对短波段探测灵敏度高），其所采集到的图像分辨力也会越高。

阴极荧光成像主要用于：

（1）研究3-5族化合物半导体材料中的晶体缺陷、位错、自由电子和掺杂浓度的变化。

（2）根据荧光材料的发光情况，研究其材料的均匀性和夹杂物的分布及种类。

（3）研究矿物的生成条件，晶体的生长过程和矿床的成因及类型。

（4）确定试样中某些微量元素的存在，特别是那些浓度接近和低于能谱仪探测能力的元素。

不同波长范围的荧光探测器如下。

（1）可见光型的探测器：可探测的波长为350～650nm，探测的波长范围较窄，只能在可见光的范围；这种探测器通常还可以一物两用，既可作为探测背散射电子的探测器又可作为探测阴极荧光的探测器，其外形如图3.22.1（a）所示。图3.22.2和图3.22.3就是用这种探测器做出的阴极荧光像，以及与之相对应的背散射电子像。

（2）近红外到紫外型的探测器：这是一种单一的宽频带阴极荧光（石英）探测器，探测的波长范围很宽，可从红外探测到紫外，即可探测波长为185～850nm，低频和高频两端都远超出可见光范围。

（3）彩色的阴极荧光探测器：其外形如图3.22.1（b）所示，它可以采集试样发出的不同波长（颜色）的光，对应三个不同的红、绿、蓝基色信号，可以得到单独的通道或将三个通道合成为一张彩色照片，以形成相应颜色的荧光图像，操作者可以依据所发射光的不同颜色来对夹杂物进行定位和种类判断。