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扫描电镜另外两个重要的功用你了解吗？

2019.12.20

一种再常见不过的仪器，扫描电镜，大家可能众所周知，甚至自己亲手做过。它最常见的功用就是利用二次电子成像来观察物体的表面形貌。不同于一般的光学显微镜，扫描电镜的放大倍数更高，本站之前的文章有过扫描电镜观察原子的文章，大家可以去看看。
（1）electron-beam-induced current 和（2）cathodoluminescence 。
可能大家不了解electron-beam-induced current和cathodoluminescence是什么意思，在这里给大家解释下electron-beam-induced current是电子束感生电流，是应用扫描电子显微镜对GaP半导体材料的 p n结进行线扫描，得到电子束感生电流 (EBIC)的线扫描曲线。而cathodoluminescence是阴极射线致发光，最常见的阴极射线发光是电视、雷达、示波器、计算机的荧光屏的发光。
电子束感生电流
电子束诱导电流高能电子束照射到有势垒的半导体上所产生的电流。电子束诱导电流的形成过程是：当高能电子束与半导体相互作用时，由于碰撞电离，在轰击区会产生大量的电子一空穴对；在势垒区两边一个扩散长度内的电子或空穴就能扩散到势垒区而被势垒电场所分开，在外电路上输出一个比电子束流大得多的诱导电流。电子束诱导电流图象是扫描电子显微镜的一个重要工作模式，它的主要应用有：
①PN结性能的研究与鉴定；
②半导体中的原生缺陷与二次缺陷的观察与研究；
③半导体器件与集成电路的失效分析；
④微区域半导体材料特性参数，如扩散长度、少子寿命以及深能级等的测量与分析。
阴极射线发光
电子束激发的发光。最常见的阴极射线发光是电视、雷达、示波器、计算机的荧光屏的发光。这是目前最重要的显示手段。这种发光的激发过程是：能量大约在几千电子伏以上的高速电子打到荧光粉表面时，大部分都可进入材料内部。产生速度越来越低的"次级"电子，直到发光体中出现大量的能量在几电子伏到十几电子伏的低速电子。主要是这些低能量的电子激发发光材料。入射电子的能量一般大于几千电子伏，因此一个入射电子在一微米左右的距离内可能产生上千个有激发能力的次级电子，激发密度很高。另一方面，由于次级电子的能量分布在几电子伏到十几电子伏的很宽范围内，因而能将发光体激发到多种激发态。所以，许多物质在阴极射线激发下容易发光。
射入荧光屏的电子如不及时传导出去而积累起来，荧光屏就会带负电，并使后来到达的电子受到排斥作用，因而使发光减弱下来。荧光粉多数是绝缘体，又涂在玻璃上，因此在制作阴极射线管时必须考虑如何导出入射的电子，以保持屏的电势不变。通常的办法是在粉屏上薄薄地盖一层铝，将铝层接正极。也可以选择适当的电压，使逸出的次级电子数目和进入屏内的电子数目相等，避免电荷积累。
为了得到较高的亮度，加速电子的电压通常在几千伏以上，彩色电视甚至高达二、三万伏。这样，发光屏的亮度就可亮到白天也可以看电视。投影电视是将荧光屏上的影像投射到约1平方米的大屏幕上，这就要求原来的荧光屏有更高的亮度。军用飞机座舱里所用阴极射线管显示，亮度也要求很高。投影电视和座舱显示的荧光屏亮度一般为日光灯表面亮度的几倍，甚至10倍以上。但并不是所有的阴极射线发光都使用高电压。所谓荧光数码管(也叫真空荧光管)就是只用20～30伏电压的阴极射线发光显示。这里用的发光材料是ZnO，它的导电性能很好，因此可以用低压大电流激发而不导致电荷积累。由于电流达1毫安以上，所以亮度相当高。某些发光材料经过特殊处理，也可以在低压下发较强的光。
由于阴极射线发光需要在真空中进行，用它做的器件不能太大，是技术上的一个限制。阴极射线发光还可以作为一种分析手段来研究物质的结构和成分。扫描电子显微镜就有专门的检测发光的部件，可以观察样品的阴极射线发光像，并同样品的形貌像以及次级电子像进行对比。最近更发展到测量微区的阴级射线发光的强度、光谱和余辉，从而获得微区内物质的结构、缺陷和杂质情况的信息，这对材料科学有很大的作用。

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周锦帆