カソードルミネッセンス

概要:

カソードルミネッセンスとは何か?

電子ビームで励起されると、多くの材料がカソードルミネッセンス（CL）と呼ばれる魅力的な光を発します。この光は、紫外線から可視光線、さらには赤外線の波長までスペクトルを網羅し、材料に秘められた驚異的な特性が判明します。ただし、CLシステムの範囲は、綿密に設計された内部光学系と検出器によって決まります。分光法によって特定の波長を調べることで、試料の本質をより深く理解することができます。さらに、偏光や発光角度の分析など、収集された光のニュアンスを掘り下げることで、その魅力的な特性についてさらに深い洞察が得られます。

電子顕微鏡の電子ビームは、直径わずか数ナノメートル以下に集束させることができ、金属、半導体、絶縁体試料を励起できる高集束エネルギープローブを形成します。この微細に集束された電子ビームを試料全体に走査することで、光学分光の10倍を超える驚異的な空間分解能を持つCL像やマップを得ることができます。顕微鏡の加速電圧を調整して試料内部における電子線の拡がりとエネルギーを変化させることで、試料のさまざまな深さを詳しく調べ、その進化する特性を調べることができます。

CLは、電子エネルギー損失分光法（EELS）、電子後方散乱回折法（EBSD）、エネルギー分散型分光法（EDS）などの他の電子顕微鏡技術とも調和して組み合わせることができ、強力な相乗効果を生み出します。

この統合により、CLは、特に半導体、プラズモニック、地質学など、多様な応用や画期的な研究のための魅力的な技術として位置づけられます。放出された光を分析することで、材料の構造的・機能的特性に関する重要な洞察を明らかにし、他の手法の限界を超える発見がもたらされます。

上述したように、さまざまな種類の CL 実験を実施できます。次の表は、いくつかの実験タイプとその応用の可能性を示しています。

測定方法	アプリケーション例
Unfiltered Imaging / Filtered Imaging	強度の変化を示すマップを作成します。放出された光はフィルターリングされ、選択された波長の情報が表示されます。この技術により、鉱物学、帯状構造、過成長、微小亀裂の複雑な構造を明らかにし、半導体材料およびデバイスの広範囲にわたる欠陥を明らかにします。
Spectroscopy	波長による強度変化を明らかにするCLスペクトルを収集します。これにより、微量元素などの放射性不純物を明らかにしたり、化合物半導体の組成計測を行ったり、励起子ルミネッセンス信号を調べたりすることができます。
Spectrum Imaging (SI)	マップの各点におけるCLスペクトルを収集し、合金の定性的な組成または歪みマッピングを明らかにします。
Angle-resolved CL (ARCL)	ナノ構造と発光デバイスの発光パターンを決定します。
Wavelength and angle-resolved CL (WARCL)	フォトニックバンド構造とエネルギー運動量分光法を解明します。
Polarization resolved	放射された光の完全な偏光状態を取得します。