Катодолюминесценция

КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, люминесценция, возникающая при возбуждении вещества потоками электронов, ускоренных внешним электрическим полем. Обнаружена в середине 19 века ещё до открытия электрона; пучки электронов, называемые в то время катодными лучами, вызывали свечение стеклянных стенок вакуумированных трубок; это свечение назвали катодолюминесценцией. Как физическое явление его первым начал изучать У. Крукс в 1870-х годах. В 20 веке катодолюминесценция стала широко применяться для визуализации потоков электронов и создаваемых ими изображений в электронно-лучевых приборах и устройствах различного назначения (например, в экранах телевизоров).

Катодолюминесценция, как и другие типы люминесценции, обладает инерционностью послесвечения, температурным и другими видами тушения, спектром свечения, характерным для данного вещества, и т. п. Вместе с тем она обладает специфическими свойствами, связанными с особенностями многоэтапного преобразования кинетической энергии электрона в энергию излучения, при котором происходит значительная потеря энергии. Часто наблюдается нелинейная зависимость яркости свечения от ускоряющего напряжения электрического поля и плотности тока.

Способностью к катодолюминесценции в видимой, ИК или УФ областях спектра обладают в той или иной степени многие природные синтетические вещества: чистые или легированные полупроводники и диэлектрики, в том числе стёкла, молекулярные кристаллы, растворы и даже инертные газы в твёрдом состоянии. Наибольшей эффективностью преобразования энергии возбуждения (около 20-25%) обладают некоторые поликристаллические кристаллофосфоры с рекомбинационным механизмом свечения - катодолюминофоры.

При катодолюминесценции преобразование энергии электронов проходит несколько последовательных стадий. Возбуждающий электрон за время порядка 10^-14 с производит первичную ионизацию атомов (ионов) основного вещества люминофора с образованием пары электрон - дырка, что даёт начало каскадной ионизации атомов вторичными и последующими электронами, если их энергия для этого достаточна. Процесс «размножения» элементарных возбуждений совершается в течение времени порядка 10^-12 с; к этому времени кинетическая энергия электронов становится меньше энергии, необходимой для ионизации атомов. Катодолюминесценция  происходит при рекомбинации электронов и дырок, которые, мигрируя, могут захватываться центрами свечения.

Вследствие тепловых потерь кпд катодолюминесценция в принципе не может превышать 30-40%. Дополнительные потери энергии возникают при отражении первичных электронов поверхностью люминофора, приобретении ею отрицательного заряда, а также вследствие безызлучательной рекомбинации на различных дефектах кристаллической структуры люминофора, концентрация которых особенно велика в приповерхностном (так называемом мёртвом) слое люминофора толщиной около 0,1 мкм.

В различных катодолюминесцентных экранах используют катодолюминофоры, обладающие различным цветом и инерционностью свечения. Так, в качестве компонентов экранов чёрно-белых и цветных телевизоров обычно используют цинк-кадмий-сульфидные кристаллофосфоры, активированные ионами серебра и меди. Изменяя состав основания кристаллофосфоров и условия их синтеза, добиваются перекрывания всего видимого спектра и длительности послесвечения короче зрительного восприятия. Катодолюминофоры современных цветных телеэкранов часто активируют ионами редкоземельных металлов (например, основание Y₂О₂S, активированное ионами Eu³⁺, создаёт красную компоненту цветного изображения).

Катодолюминесценция  используется также в неразрушающем микроанализе полупроводников и диэлектриков.

Лит.: Москвин А. В. Катодолюминесценция. М.; Л., 1948. Ч. 1; Марковский Л. Я., Пекерман Ф. М., Петошина Л. Н. Люминофоры. М.; Л., 1966.