катодолюминесценция

КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - люминесценция ,возникающая при возбуждении вещества потоками электронов, ускоренных во внеш. электрич. поле. К. обнаружена в сер. 19 в. до открытия электрона; пучок электронов, вызывающий свечение стеклянных стенок вакуумированных трубок, называли катодными лучами, и поэтому само свечение было назв. К. Как физ. явление К. впервые начал изучать У. Крукс (W. Crookes) в 70-х гг. 19 в. К., как и др. виды люминесценции, обладает инерционностью послесвечения, температурным и др. видами тушения, характерным для данного вещества спектром свечения и т. д. Вместе с тем она обладает специфич. свойствами, связанными с особенностями преобразования кинетич. энергии заряж. частицы в кванты излучения значительно меньшей энергии: многоэтапный процесс преобразования, наличие дополнительных каналов потерь энергии, часто наблюдающаяся нелинейная зависимость яркости свечения от напряжения и плотности тока, трековый характер возбуждения и т. д. Способностью к К. в видимой, ИК- или УФ-областях спектра в той или иной степени обладают мн. природные или специально синтезированные вещества - чистые и легированные разл. примесями полупроводники и диэлектрики, стёкла, молекулярные кристаллы, растворы и даже инертные газы в твёрдом состоянии. Наиб. эффективность преобразования энергии, достигающую 20-25%, имеют нек-рые поликристаллич. кристаллофосфоры с рекомбинац. механизмом свечения (катодолюминофоры). При К. преобразование энергии электронов проходит неск. последовательных стадий. Возбуждающий электрон за время ~10^-14 с производит первичную ионизацию атомов (или ионов) осн. вещества, дающую начало каскадной ионизации вторичными и т. д. электронами вещества с достаточно высокой кинетич. энергией. Процесс размножения элементарных возбуждений заканчивается за время ~10^-12 с, когда кинетич. энергия электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне) становится меньше пороговой энергии (обычно превышающей ширину запрещённой зоны ~в 1,5 раза), необходимой для создания ещё одной электронно-дырочной пары. Ионизация центров свечения и последующая излучат. рекомбинация носителей заряда на этих центрах происходит уже после термализации таких носителей (~10^-11-10^-10 с), т. е. когда их кинетич. энергия уменьшается до энергии тепловых колебаний решётки. Вследствие тепловых потерь эффективность К. не может превышать 30-40%. Дополнит. потери энергии возникают из-за отражения первичных электронов поверхностью вещества, приобретения ею отрицат. заряда, а также безызлучат. рекомбинации на разл. дефектах решётки, концентрация к-рых особенно велика в поверхностном, т. н. мёртвом, слое кристалла толщиной ~0,1 мкм. Заряд отводится в основном путём вторичной электронной эмиссии; с той же целью (а также для концентрации свечения по одну сторону от экрана) поверхность экрана покрывают тонкой плёнкой металла, например алюминия. Обычно для К. используют ускоряющие напряжения V~10-50 кВ, при к-рых глубина проникновения электронов составляет неск. единиц или десятков мкм. При V>50 кВ сильно возрастает интенсивность рентг. излучения и ускоряется образование радиац. дефектов в поверхностном слое кристаллов. Интенсивность К. пропорц. V^a, где 1<a<2, и при V<1 кВ свечение практически полностью отсутствует. Однако с помощью обработки поверхности кристалликов, повышения их электропроводности и улучшения вакуума удаётся получить низковольтную К. уже при V~10 эВ, эффективность к-рой ~0,1%; она используется в буквенно-цифровых индикаторах. При увеличении плотности тока, необходимом для повышения яркости свечения, обычно наблюдается насыщение К., т. е. уменьшение эффективности свечения, к-рое обусловлено рядом причин: зарядка и нагрев образца, ионизация значит, доли центров свечения, высвечивание локализованных носителей и их тройная безызлучат. рекомбинация. Вместе с тем при импульсном возбуждении нек-рых особо чистых кристаллов и сублимированных плёнок яркость узких полос испускания, расположенных вблизи края фундам. поглощения, возрастает быстрее плотности тока. При превышении пороговых плотностей тока (до значений /10 А/см²) на соответствующих (обычно экситонных) переходах может наблюдаться и лазерное излучение, к-рое, однако, уже не является К. Катодолюминофоры обычно исследуют и используют в виде катодолюминесцентных экранов, т. е. тонких слоев (~5-20 мкм), осаждённых на металлич. или стеклянные подложки. Катодолюминесцентные экраны широко применяют для визуализации потоков электронов и создаваемых ими изображений во мн. совр. электронно-лучевых приборах разл. назначения. Для этих целей промышленность выпускает катодолюминофоры с разл. цветом и инерционностью свечения. Так, в качестве компонентов экранов чёрно-белого и цветного телевидения обычно используют цинк-кадмийсульфидные кристаллофосфоры, активизированные ионами серебра и меди. Изменяя состав основания кристалло-фосфоров и условия их синтеза, можно перекрыть весь видимый диапазон спектра с длительностью послесвечения (зависящей от плотности возбуждения) ~10^-2-10^-3 с, т. е. короче инерционности зрительного восприятия. Для тех же целей начинают применять др. основы (например, оксисульфиды), активированные редкоземельными ионами, к-рые уступают по эффективности, но, обладая более узкими полосами свечения, обеспечивают лучшую цветопередачу. Разработаны и катодолюминофоры с весьма длит, (секунды и даже минуты) и, наоборот, предельно коротким (до 10^-7-10^-8 с) послесвечением. Лит.: Москвин А. В., Катодолюминесценция, ч. 1, М.- Л., 1948; Марковский Л. Я., Пекерман Ф. М., Петошина Л. Н., Люминофоры, М--Л., 1966; Богданкевич О. В., Дарзнек С. А., Елисеев П. Г., Полупроводниковые лазеры, М., 1976. Ю. П. Тимофеев.

   <<      Предметный указатель      >>