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{{NoteTA|
|G1=Physics
}}

[[File:Cl-scheme.svg|缩略图|阴极射线发光系统的示意图：电子束穿过抛物面镜（parabolic mirror）上的一个小孔后入射样品；从样品出射的光经过反射进入[[光谱仪]]后，可以使用[[感光耦合元件]]（CCD）或[[光电倍增管]]（PMT）进行探测，同时还可以对{{le|电子束感应电流|electron beam-induced current}}（EBIC）进行测量。]]

'''阴极射线发光'''（Cathodoluminescence，CL）或'''阴极发光'''、'''阴极射线致发光'''，是一种[[冷发光]]现象，指的是[[磷光体]]之类的材料受电子照射时发射出[[可见光]]的现象。阴极射线发光常见于老式[[电视]]的[[显像管]]；其利用电子束在电视屏幕内侧的磷光体上来回扫描，通过控制屏幕上不同区域的发光强度生成图像。

== 来源 ==
半导体中的[[冷发光]]来源于[[导带]]中的[[电子]]和[[价带]]中的[[空穴]]的重新结合时以[[光子]]形式发射出的能量。这些光子的能量（或颜色）取决于材料的性质、纯度以及其中的杂质。但在此之前，价带中的电子需要先受激进入导带。在阴极射线发光中，价带电子被高能电子束所激发。高能电子射入材料后还会造成材料中[[二次電子]]、[[俄歇电子]]和[[X射线]]的发射；这些电子会再次在材料内部发生散射，产生更多的电子。最终，每一个入射的电子会导致多达10<sup>3</sup>的二次电子的发射<ref>{{Cite journal|title=Comparison between electron beam and near-field light on the luminescence excitation of GaAs/AlGaAs semiconductor quantum dots|last=Mitsui, T; Sekiguchi, T; Fujita, D; Koguchi, N.|journal=Jpn. J. Appl. Phys.|doi=10.1143/JJAP.44.1820|year=2005|volume=44|pages=1820–1824|bibcode=2005JaJAP..44.1820M}}</ref>。当这些二次电子的动能达到[[能隙]]的三倍时（<math>E_{kin}\approx 3 E_g</math>），就会激发价带电子进入导带<ref>{{Cite journal|title=Bandgap dependence and related features of radiation ionization energies in semiconductors|last=Klein|first=C. A.|journal=J. Appl. Phys.|doi=10.1063/1.1656484|year=1968|volume=39|pages=2029–2038|bibcode=1968JAP....39.2029K}}</ref>。用电子束激发材料发光和[[光致发光]]相比的优势在于，后者对材料能隙的观测受限于入射光的能量。因此，几乎所有的非金属材料都可以运用阴极射线发光手段进行表征。

== 在显微技术中的应用 ==
在[[地质学]]、[[矿物学]]、[[材料科学]]和半导体工程学中，结合了阴极射线发光探测器的[[扫描电子显微镜]]或[[光学显微镜]]被用于探测半导体、岩石、[[陶瓷器]]和[[玻璃]]等材料内部的结构，以获取这些材料的组成成分、生长情况和品质。

=== 在扫描电镜中的应用 ===
[[File:InGaN_crystal_SEM+CL.png|缩略图|图为InGaN多晶，采用[[扫描电子显微镜]]照片和彩色阴极射线发光相互复叠制作而成。图像的蓝色和绿色[[通道 (数字图像)|通道]]表现的是真实颜色，红色通道关联于紫外发射。]]

电子显微镜使用聚焦后的电子束照射于样品上；从样品中激发出的光通过某些光学系统（例如椭面镜）进行收集。[[光導纖維]]将这些光从显微镜内部传导出来后，[[单色器]]可以分离这些光所包含的不同波长成分，然后使用[[光电倍增管]]进行测量。若对显微镜视野内的区域进行扫描，并在电子束扫描到每一点时测量样品所发出的光；将这些测量结果汇集起来即可绘制出阴极射线发光的“分布图”，表现的是显微镜视野区域内光学活动的分布。另一种实验手段是仅让电子束照射样品上的某一固定点或固定区域，然后获取这一区域的光谱。如果用[[感光耦合元件]]代替光电倍增管，则可以测量全[[光學頻譜]]（[[高光譜影像]]）。

基于电子显微镜的阴极射线发光实验手段的主要优势是其空间分辨率。扫描电镜的分辨率一般在几十纳米左右<ref>{{Cite journal|title=Localization and defects in axial (In,Ga)N/GaN nanowire heterostructures investigated by spatially resolved luminescence spectroscopy|last=Lähnemann|first=J.|last2=Hauswald|first2=C.|journal=J. Phys. D: Appl. Phys.|doi=10.1088/0022-3727/47/39/394010|year=2014|volume=47|pages=394010|arxiv=1405.1507|bibcode=2014JPhD...47M4010L|last3=Wölz|first3=M.|last4=Jahn|first4=U.|last5=Hanke|first5=M.|last6=Geelhaar|first6=L.|last7=Brandt|first7=O.}}</ref>；（扫描）[[透射电子显微镜]]的分辨率甚至能达到几个纳米<ref>{{Cite journal|title=Nanometer Scale Spectral Imaging of Quantum Emitters in Nanowires and Its Correlation to Their Atomically Resolved Structure|last=Zagonel|journal=Nano Letters|doi=10.1021/nl103549t|year=2011|volume=11|pages=568|arxiv=1209.0953|bibcode=2011NanoL..11..568Z|pmid=21182283|display-authors=etal}}</ref>。另外，如果使用脉冲式的电子源甚至可以实现时间分辨率达到[[纳秒]]到[[皮秒]]级别的测量，可被应用于低维度半导体结构（例如[[量子阱]]和[[量子点]]）的研究。

虽然基于电子显微镜的阴极射线发光探测仪提供了较高的放大倍数，但基于光学显微镜的阴极射线发光探测仪的优势在于可以看到样品原本的颜色。最新开发的系统结合了两者的优势<ref>{{cite web |title=What is Quantitative Cathodoluminescence ? / Attolight |url=http://www.attolight.com/technology/what-is-quantitative-cathodoluminescence/ |website=www.attolight.com |accessdate=2018-12-04 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150328065245/http://www.attolight.com/technology/what-is-quantitative-cathodoluminescence/ |archivedate=2015-03-28}}</ref>
。

== 其他应用 ==
虽然[[直接带隙半导体]]（例如[[砷化鎵]]或[[氮化鎵]]）的阴极射线发光现象最明显（最适合用上述实验手段对其进行测量），但是间接带隙半导体（例如[[硅]]）中也有微弱的阴极射线发光现象。利用[[位错]]硅的发光和本征硅相异的特征，可以检测出[[集成电路]]中的缺陷。

最近，基于电子显微镜的阴极射线发光测量也被用于研究金属[[纳米颗粒]]的[[表面等离子共振]]<ref>{{Cite journal|title=Optical excitations in electron microscopy|last=García de Abajo|first=F. J.|journal=Reviews of Modern Physics|doi=10.1103/RevModPhys.82.209|year=2010|volume=82|pages=209–275|arxiv=0903.1669|bibcode=2010RvMP...82..209G}}</ref>。金属纳米颗粒的表面[[電漿子]]也能吸收光和发光，但这一过程和半导体中的发光是不同的。同样，阴极射线发光也被用作探针，对平面介电[[光子晶体]]和纳米结构光子材料的[[局部态密度]]进行测量<ref>{{Cite journal|title=Deep-subwavelength imaging of the modal dispersion of light|last=Sapienza, R.;Coenen,  R.; Renger, J.; Kuttge, M.; van Hulst, N. F.; Polman, A|journal=Nature Materials|doi=10.1038/nmat3402|year=2012|volume=11|pages=781–787|bibcode=2012NatMa..11..781S|pmid=22902895}}</ref>。

== 另见 ==

* {{le|阴极发光显微镜|Cathodoluminescence microscope}}
* {{le|电子激发冷光技术|Electron-stimulated luminescence}}
* [[冷发光]]
* [[光致发光]]
* [[扫描电子显微镜]]

== 参考资料 ==
{{Reflist|2}}

== 延伸阅读 ==

* ''[http://journals.cambridge.org/action/displayAbstract?fromPage=online&aid=9632379&fileId=S0883769415000640 Cathodoluminescence microscopy: Optical imaging and spectroscopy with deep-subwavelength resolution]'', T. Coenen, B. J. M. Brenny, E. J. R. Vesseur, and A. Polman, MRS Bulletin 40, 359 (2015)
* ''[[hdl:11245/1.417564|Angle-resolved cathodoluminescence nanoscopy]]'', T. Coenen, University of Amsterdam (2014)
* [http://dspace.library.uu.nl/bitstream/handle/1874/33317/kuttge.pdf?sequence=1 ''Cathodoluminescence plasmon microscopy''] {{Wayback|url=http://dspace.library.uu.nl/bitstream/handle/1874/33317/kuttge.pdf?sequence=1 |date=20191105155110 }}, M. Kuttge, Utrecht University (2009)
* [http://www.nature.com/polopoly_fs/1.12162!/menu/main/topColumns/topLeftColumn/pdf/493143a.pdf ''Electron beams set nanostructures aglow''] {{Wayback|url=http://www.nature.com/polopoly_fs/1.12162!/menu/main/topColumns/topLeftColumn/pdf/493143a.pdf |date=20180728121117 }}, Nature 493, 143 (2013)
* ''[http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.5b00596 Angle-resolved cathodoluminescence imaging polarimetry] {{Wayback|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.5b00596 |date=20190713053240 }},'' C. I. Osorio, T. Coenen, B. J. M. Brenny, A. Polman, and A. F. Koenderink, ACS Photonics, DOI: 10.1021/acsphotonics.5b00596 (2015)
* ''[http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl202256k Imaging of hidden modes in ultra-thin plasmonic strip antennas by cathodoluminescence] {{Wayback|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl202256k |date=20190713053241 }},'' E. S. Barnard, T. Coenen, E. J. R. Vesseur, A. Polman, and M. L. Brongersma, Nano Lett. 11, 4265 (2011)
* ''[http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl201839g Directional emission from plasmonic Yagi-Uda antennas probed by angle-resolved cathodoluminescence] {{Wayback|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl201839g |date=20191106210213 }},'' T. Coenen, E. J. R. Vesseur, A. Polman, and A. F. Koenderink, Nano Lett. 11, 3779 (2011)
* B. G. Yacobi and D. B. Holt, ''Cathodoluminescence Microscopy of Inorganic Solids,''New York, Plenum (1990)
* C. E. Norman, ''Microscopy and Analysis,'' March 2002, P.9-12
* S. A. Galloway et al., ''Physica Status Solidi C'', '''V0'''(3), P.1028-1032 (2003)
* C. M. Parish and P. E. Russell, ''Scanning Cathodoluminescence Microscopy,'' in '''Advances in Imaging and Electron Physics, V.147,''' ed. P. W. Hawkes, P. 1 (2007)
* {{cite thesis|last1=Lähnemann|first1=J.|title=Luminescence of group-III-V nanowires containing heterostructures|type=PhD Thesis|publisher=Humboldt-Universität zu Berlin|year=2013|url=http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:11-100212149|format=pdf|access-date=2018-11-09|archive-date=2019-07-13|archive-url=https://web.archive.org/web/20190713053248/https://d-nb.info/1041284527/34|dead-url=no}}

== 外部链接 ==

* [http://www.delmic.com/cathodoluminescence What is Cathodoluminescence?] {{Wayback|url=http://www.delmic.com/cathodoluminescence |date=20181102180933 }}
* [http://www.delmic.com/sparc-cathodoluminescence-sem High-performance SEM cathodoluminescence imaging] {{Wayback|url=http://www.delmic.com/sparc-cathodoluminescence-sem |date=20181108010144 }}
* [http://blog.delmic.com/introduction-to-cathodoluminescence From the discovery of the electron to subwavelength microscopy: An introduction to cathodoluminescence] {{Wayback|url=http://blog.delmic.com/introduction-to-cathodoluminescence |date=20181101062614 }} DELMIC Microscopy Blog
* [http://blog.delmic.com/cathodoluminescence-intensity-mapping-adding-an-extra-dimension-to-your-research Cathodoluminescence intensity mapping: Adding an extra dimension to your research] {{Wayback|url=http://blog.delmic.com/cathodoluminescence-intensity-mapping-adding-an-extra-dimension-to-your-research |date=20181101163222 }} DELMIC Microscopy Blog
* [http://paleopolis.rediris.es/cg/CG2009_A07/index.html Quick look cathodoluminescence analyses and their impact on the interpretation of carbonate reservoirs. Case study of mid-Jurassic oolitic reservoirs in the Paris Basin] {{Wayback|url=http://paleopolis.rediris.es/cg/CG2009_A07/index.html |date=20180925041016 }}
* [http://sites.google.com/site/highrescathodoluminescence/ Scientific Results about High Spatial Resolution Cathodoluminescence] {{Wayback|url=http://sites.google.com/site/highrescathodoluminescence/ |date=20200727182724 }}
* [http://www.delmic.com/ DELMIC, a company offering commercial cathodoluminescence systems] {{Wayback|url=http://www.delmic.com/ |date=20181105125918 }}
* [http://www.gatan.com/techniques/cathodoluminescence/ Gatan, a company offering commercial cathodoluminescence systems for SEM and TEM] {{Wayback|url=http://www.gatan.com/techniques/cathodoluminescence/ |date=20180903135108 }}
* [http://www.attolight.com/ Attolight, a company offering commercial cathodoluminescence systems] {{Wayback|url=http://www.attolight.com/ |date=20181215223851 }}
* [http://www.horiba.com/scientific/products/cathodoluminescence/ HORIBA Scientific, a company offering commercial cathodoluminescence systems] {{Wayback|url=http://www.horiba.com/scientific/products/cathodoluminescence/ |date=20180819224229 }}
{{发光现象}}

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