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阴极射线发光分析方法及其在新材料研究中的

应用

傅竹西吴自勤

摘要：阴极射线发光分析方法是研究材料的结构和能态的重要手段.

近年来，这种分析方法的灵敏度和功能等都获得很大改善，特别是在扫

描电镜中，将阴极射线发光、二次电子、背散射电子和X射线特征谱等

结合起来形成的综合测量方法，成为研究材料结构和微区性质的有力工

具.文章介绍阴极射线发光分析方法的基本原理及其在GaN，SiC,ZnO和

量子线等新材料研究中的应用实例.

关键词：阴极射线发光，分析方法，新材料

CATHODOLUMINESCENCEANALYSISANDITS

APPLICATIONSINNEWMATERIALS

FUZhu-Xi

（StructureResearchLaboratory,ChineseAcademyofSciences;Department

ofPhysics,

UniversityofScienceandTechnologyofChinaHefei230026）

WUZi-Qin

（FundamentalPhysicsCenter,UniversityofScienceandTechnologyof

China,Hefei230026）

Abstract：Cathodoluminescence(CL)isanimportantexperimentalmethod

foranalysingthestructure,densityofstatesanddefectsofcrystals.TheCL

combinedwithsecondaryelectrons,back-scatteringelectronsandX-ray

spectrainscanningelectronmicroscopycanrevealthespectralandspatial

distributionoflightemissioncenters.Thisisofgreatuseinthe

characterizationofthestructure,densityofstates,defectsandimpuritiesof

samplesinmicrozones.ThefundamentalprincipleofCLanalysisandits

applicationsinresearchofnewmaterials,suchasGaN,SiC,ZnOand

quantumwiresarereviewed.

Keywords：cathodoluminescence,analysismethod,newmaterials▲

1引言

材料的物理性质与它们的晶体结构、组分、杂质和缺陷的分布及能

级状态等密切相关，尤其对某些半导体材料，结构特性的微区变化及杂

质和缺陷(填隙和空位)的非均匀分布等都会极大地改变材料的功能，因

此，建立精密的结构分析手段和微米尺度内结构和缺陷的测量方法是材

料科学的重要研究内容之一.

电子显微方法是研究材料微结构性质的重要手段［1］，阴极射线发光

(CL)就是其中一种极其有用的材料分析方法.早期的阴极射线发光测量

受到灵敏度和单一功能的限制，只能用于分析发光强度较高的材料.随着

测量技术的提高，CL分析方法有了长足的发展，同时它还与扫描电镜图

像测量结合起来形成一种综合测量技术，成为分析材料微区性质的有力

工具.CL技术不仅在以往的材料分析中发挥了重要作用，而且在

GaN,SiC,ZnO以及量子阱和量子线等一系列新材料的结构和缺陷的研究

中同样做出了很大的贡献.

2阴极射线发光分析原理和装置

某些半导体或电介质在高能电子束激发下发光的现象称为阴极射线

发光.根据电子束能量和样品种类的不同，高能电子束照射到样品上后可

穿透几十nm到十几μm的深度，通过和晶格的碰撞使样品的原子离化，

产生如图1所示的电子跃