Cathodoluminescence
La cathodoluminescence est le phénomène optique et électrique que l'on observe lorsqu'un faisceau d'électrons produit par un canon à électrons (par exemple un tube à rayons cathodiques) bombarde un revêtement de phosphore, conduisant à l'émission de lumière (dans le domaine UV, visible ou infrarouge).
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Usages
modifierL'application la plus répandue est l'écran de télévision (lorsque celui-ci est un tube à rayons cathodiques).
En géologie, le microscope à cathodoluminescence est utilisé pour examiner des structures internes des échantillons géologiques, dans le but de déterminer, par exemple, l'histoire de la formation de la roche.
Cette technique est également utilisée en archéologie pour étudier des procédés techniques anciens de construction et de décoration des bâtiments[1].
Principes de fonctionnement
modifierLe phénomène de cathodoluminescence se produit par interaction entre un électron énergétique et un matériau semi-conducteur. L'électron incident cède une partie de son énergie cinétique au profit d'un électron de la bande de valence du semiconducteur. Ce dernier est promu dans la bande de conduction, laissant un trou dans la bande de valence. Il existe une certaine probabilité qu'électrons et trous se recombinent en émettant un photon. La longueur d'onde du photon émis est caractéristique du matériau et peut révéler la présence de défauts ou d'impuretés introduisant des niveaux d'énergie dans la bande interdite. Ce phénomène n'est pas limité aux semiconducteurs, au sens strict du terme, puisqu'il peut se produire dans la plupart des matériaux non métalliques à savoir les semiconducteurs classiques et les isolants, tel que définis par la théorie des bandes. Il est à noter que ce phénomène, qui fait partie des interactions rayonnement-matière, se rapproche de la fluorescence X étudiée par analyse dispersive en énergie, si ce n'est que, dans ce dernier cas, l'électron promu est plus fortement lié à l'atome car appartenant à une couche de cœur.
En sciences des matériaux et dans la technologie des semiconducteurs, la cathodoluminescence est produite soit dans un microscope électronique à balayage simple, soit dans un microscope électronique en transmission à balayage. Dans ce dernier cas, le faisceau d'électrons focalisés excite l'échantillon de telle façon que la lumière émise provienne d'une zone localisée. Cette lumière doit être collectée par un système optique comme un miroir elliptique. Une fibre optique transporte alors la lumière à l'extérieur de l'instrument, où un monochromateur filtre la longueur d'onde désirée et l'on opère ensuite une mesure quantitative des photons avec un photomultiplicateur en synchronisme avec le balayage du faisceau d'électrons. On obtient ainsi une carte de l'activité optique de l'échantillon.
Un microscope électronique avec un détecteur de cathodoluminescence est plus compliqué, plus cher mais plus souple d'emploi et présente un grandissement plus élevé qu'un simple microscope à cathodoluminescence.
Applications en science des matériaux
modifierEn science des matériaux et en particulier dans l'étude des semi-conducteurs, la cathodoluminescence permet d'obtenir des informations spatiales et spectrales sur les propriétés locales des matériaux. Les techniques modernes de cathodoluminescence hyperspectrale permettent d'enregistrer un spectre en chaque point de l'échantillon et ainsi de cartographier simultanément l'intensité de luminescence, l'énergie des transitions optiques et la largeur des raies spectrales. Ces paramètres peuvent notamment être utilisés pour étudier les défauts, les contraintes mécaniques et les variations locales de composition ou de concentration en porteurs[2].
Dans les matériaux à base de nitrure de gallium (GaN), utilisés notamment pour les diodes électroluminescentes, les lasers et les composants électroniques de puissance, la cathodoluminescence hyperspectrale permet d'étudier localement les propriétés optiques et électroniques du matériau. L'analyse de l'énergie et de la largeur des raies d'émission peut notamment être utilisée pour cartographier la concentration locale de porteurs associée au dopage au silicium, sur une large gamme de concentrations[2]. La technique permet également de mettre en évidence les effets associés aux dislocations, tels que la recombinaison non radiative, les variations locales de contrainte et la ségrégation d'impuretés[3].
Une extension de la technique est la cathodoluminescence résolue en temps (TRCL, de l'anglais time-resolved cathodoluminescence), dans laquelle l'évolution temporelle de l'émission est mesurée après l'excitation électronique. Elle permet d'étudier localement la dynamique de recombinaison et de relaxation des porteurs et des excitons. Dans le GaN, l'analyse de mesures TRCL peut notamment être utilisée pour déterminer les contributions de différents mécanismes de recombinaison, notamment la recombinaison de Shockley-Read-Hall, la recombinaison radiative et la recombinaison Auger[4].
Notes et références
modifier- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Cathodoluminescence » (voir la liste des auteurs).
Références
modifier- ↑ Jane Fabre, Rémy Chapoulie et Max Schvoerer, « Identification des constituants minéraux d’enduits peints de Retjons-Lugaut (Landes) par cathodoluminescence », dans Pigments et colorants de l’Antiquité et du Moyen Âge : Teinture, peinture, enluminure, études historiques et physico-chimiques, CNRS Éditions, coll. « Histoire », (ISBN 9782271090898, lire en ligne), p. 131–142
- 1 2 M’Qaddem, Z.; Rochat, N.; Jacopin, G.; Mohamad, B.; Sakowski, K.; Kaltsounis, T.; Veillerot, M.; Charles, M.; Buckley, J.; Borowik, Ł., « High-Resolution Cathodoluminescence Mapping for Doping Quantification across a Wide Range of Silicon Concentrations in GaN Epitaxial Layers », Nano Letters, vol. 26, , p. 5514–5521 (DOI 10.1021/acs.nanolett.6c00619)
- ↑ M’Qaddem, Z.; Maurya, V.; Rochat, N.; Jacopin, G.; Mohamad, B.; Charles, M.; Buckley, J.; El Rammouz, H.; Cordier, Y.; Borowik, Ł., « Microscopic impact of isolated and clustered threading dislocations on GaN-on-GaN Schottky diode performance », Nanotechnology, vol. 37, , p. 325201 (DOI 10.1088/1361-6528/ae93c1)
- ↑ Sakowski, K.; Borowik, Ł.; Rochat, N.; Kempisty, P.; Strak, P.; Majewska, N.; Mahlik, S.; Koronski, K.; Sochacki, T.; Piechota, J.; Fouchier, M.; Kamińska, A.; Krukowski, S., « On method of estimating recombination rates by analysis of time-resolved luminescence », Journal of Luminescence, vol. 269, , p. 120473 (DOI 10.1016/j.jlumin.2024.120473)
