Переходы между энергетическими уровнями РЗИ являются внутрицентровыми. Внутрицентровым переходом называется переход между электронными состояниями одного и того же микрообъекта (дефекта, примеси, активатора). Если в результате перехода происходит оптическое излучение, такой объект называется излучающим центром (Рис. 2.2.1, I). Характер люминесценции при переходе внутри излучающего центра зависит от электронной структуры (т.е. свойств этого дефекта) и от матрицы вещества, в котором он находится (пример – f-f переходы в РЗИ). Также стоит отметить что, спектры РЗИ зависят от температуры, поэтому интенсивность КЛ может заметно меняться при разных температурах образца. При низких температурах происходит уменьшение полуширины линии, проявляется тонкая структура полос, которая оказывается уширенной при более высокой температуре из-за тепловых колебаний.
Катодолюминесценция как метод исследования
Катодолюминесценция как метод исследования различных объектов выступает в одном ряду с другими спектроскопическими методами, такими как фотолюминесценция, поглощение. Метод КЛ обладает обширной областью применения и имеет ряд преимуществ по сравнению с фотолюминесценцией. Стоит отметить основные особенности КЛ как метода исследования.
Метод является локальным. Электронный пучок можно фокусировать до малых размеров – десятки и сотни нанометров. При таких условиях разрешение метода составляет единицы мкм.
Метод позволяет исследовать зонную структуру в УФ диапазоне. Для фотовозбуждения некоторых переходов в широкозонных материалах требуется вакуумный ультрафиолет (порядка 6 эВ и выше), что является технически сложной задачей. Но при использовании метода КЛ, даже если энергия электронов не превышает 1 кэВ, она все равно на два порядка больше ширины запрещенной зоны любого твердотельного объекта и такая энергия способна возбуждать переходы в УФ диапазоне.
Возможность визуального исследования. Наблюдая КЛ в широком (расфокусированном) электронном пучке, можно визуализировать неоднородность образца: пространственное распределение дефектов, фаз, концентраций и т.д.
Также существует ряд недостатков КЛ как метода исследования:
Невозможность селективного возбуждения. При возбуждении электронным пучком возбуждаются все возможные состояния.
Нагрев образца. Для образцов с низкой теплопроводностью нагрев может быть существенным (тысячи градусов). Для полупроводниковых материалов при типичных режимах работы нагрев несущественен и составляет доли градусов.
Возможность деградации образца вследствие нагрева или разрыва химических связей электронами пучка. Такие эффекты проявляются при экстремальных условиях возбуждения (очень высокий ток пучка) или в органических материалах. Для подавляющего большинства материалов при типичных режимах работы этот эффект не наблюдается.
Необходимость подготовки образца с низкой проводимостью (диэлектрик). Необходимо нанести на образец токопроводящую плёнку (например, напылить слой углерода или нанести проводящую пасту на часть образца) для обеспечения стока заряда, приносимого электронным пучком. В противном случае в образце будет накапливаться пространственный заряд, что приведет к отклонению электронного пучка. Поскольку наши образцы являются диэлектриками, процедура нанесения токопроводящей пленки является обязательной. Пленка является легкоразрушимой при физическом контакте, поэтому обращение с образцами покрытыми пленкой требует большой аккуратности.
КЛ установка
Исследования проводились на установке, основой которой является рентгеноспектральный микроанализатор CAMEBAX (производства фирмы Cameca).Для исследования КЛ использовался спектрометр оригинальной конструкции, который пристыковывался к CAMEBAX вместо бинокуляра оптического микроскопа (Рис. 3). КЛ спектрометр также позволяет производить измерения в автоматизированном режиме.
1. 
колонна микроанализатора
2. образец
3. объектив Кассегрена
4. дифракционная решетка
5. вогнутое зеркало
6. выходная щель спектрометра
7. приемник излучения (ФЭУ)
Рис. 3 Оптическая схема КЛ установки.
Автоматизация осуществлена посредством крейта КАМАК с набором специализированных плат и персонального компьютера со специальным программным обеспечением.
Такая экспериментальная техника позволила с локальностью 1-3 мкм исследовать люминесценцию образца при возбуждении его электронным пучком. Катодолюминесцентная система в совокупности с регистрирующим электронным оборудованием и пакетом программного обеспечения позволила получить спектры катодолюминесценции, а так же наблюдать динамику полос излучения (разгорание—затухание) и измерять характерные времена жизни возбуждённых состояний.
Образцы
В данной работе исследовано три образца (12,19 и 21) синтезированных в ФТИ им. Иоффе. Как уже говорилось ранее, целью работы является исследование структурных и катодолюминесцентных свойств этих образцов.
Образцы 19 и 21 представляют собой монодисперсные сферические частицы мезопористого оксида кремния (mSiO2), заполненные оксидом гадолиния, легированным европием (mSiO2/Gd2O3:Eu3+). Образец 12 является чистым Gd2O3:Eu3+ без оксида кремния.
Образец 12.
Порошок Gd2O3:Eu3+ (5 мол% Eu3+) отожженный при 800 0С. Получен разложением нитратов гадолиния и европия.
Образец 19.
Рис. 4.1 Этапы получения Gd2O3:Eu3+ в мезопористых частицах кремнезема.
Мезопористые (диаметр пор 3.1 нм) частицы аморфного SiO2 (d=560нм)с введенными в поры Gd2O3:Eu3+. Заполнение осуществлялось капиллярной пропиткой пор mSiO2 растворами нитратов гадолиния и европия с последующей сушкой и отжигом в 2 этапа при 6000С и 1000С. Степень заполнения пор 30%.
Образец 21.
Мезопористые (диаметр пор 3.1 нм) частицы аморфного SiO2 (d=150нм) с введенными в поры Gd2O3:Eu3+. Заполнение осуществлялось капиллярной пропиткой пор mSiO2 растворами нитратов гадолиния и европия с последующей сушкой и отжигом в 1 этап при 6000С. Поры занимают от объема частицы 30%.
| 12 - Gd2O3:Eu3+ | 19 Gd2O3:Eu3+\mSiO2 + отжиг 1000 0С | 21 - Gd2O3:Eu3+\mSiO2 |
| 
| 
|
Рис. 4.2 Фотографии КЛ образцов в расфокусированном электронном пучке.
На рис.4.2 показаны снимки образцов в расфокусированном пучке при одинаковых условиях. Из рисунка видно, что 12 образец имеет самую большую интенсивность люминесценции. Люминесценция 21 и 19 образцов не однородна. Их яркость свечения гораздо ниже, чем у 12 образца т.к. в них содержится значительная доля кремнезема.
Результаты эксперимента