Transcript Analisi dei campioni

Natalia Bo
Misure di Catodoluminescenza su
diamante naturale ed artificiale
Relatore:
Prof. Claudio Manfredotti
Scopi
Studiare le caratteristiche delle impurità e
dei difetti presenti nel reticolo cristallino del
diamante:
quali sono, come si distribuiscono
Poichè influenzano le proprietà elettroniche
del diamante
Presentazione:
Teoria
Fenomeni di luminescenza
Difetti nei solidi
Catodoluminescenza
Centri di luminescenza del diamante
Strumentazione
utilizzata
Microscopio elettronico a scansione
(SEM)
Apparato di catodoluminescenza
Calibrazione
dell’apparato di
catodoluminescenza
In lunghezza d’onda e in intensità
Risoluzione
Efficienza
Analisi dei campioni
Spettri di catodoluminescenza
Mappe di catodoluminescenza
Fenomeni di Luminescenza
La luminescenza è un fenomeno di emissione di fotoni che
avviene nei solidi quando sono eccitati da una sorgente
Ioni
Ionoluminescenza
Fotoni
Fotoluminescenza
Calore
Termoluminescenza
Elettroni
Catodoluminescenza
Fluorescenza
t<10-7 sec
Fosforescenza t>10-7 sec
Luminescenza nei semiconduttori
Nei semiconduttori la luminescenza è descritta come
ricombinazione elettrone-lacuna
Ef  Ei  hν 
Semiconduttori a gap diretta
Semiconduttori a gap indiretta
Luminescenza intrinseca
Luminescenza estrinseca
diretta
livelli interni della gap
hc
λ
Difetti nei solidi
Difetti puntuali
Difetti planari
Difetti monodimensionali
Difetti
tridimensionali
Catodoluminescenza
Trappola per elettroni se>sh
Trappola per lacune
sh>se
 E 
p  exp   t 
 kT 
1
τ
Nσ vth
Centro di Ricombinazione
sesh
tempo di vita medio dei
portatori minoritari
1 1
1


τ τrr τnr
Catodoluminescenza
Intensità del segnale di catodoluminescenza
Δn r  3
LCL r    f
dr
τrr
V
f
fattore di correzione
Δn
τrr
velocità di ricombinazione dei portatori
Δn
eccesso di portatori minoritari per unità di volume
τrr
tempo di vita medio per ricombinazione radiativa
Centri di luminescenza misurati
nel diamante
POSIZIONE
2.8 - 3.0 eV (410-440 nm)
NOME
Banda A Blu
2.46 eV
( 503 nm )
Centro H3
2.16 eV
( 575 nm )
Centro (N-V)
2.2 - 2.3 eV (539-563 nm)
1.68 eV ( 738 nm )
Banda A Verde
DESCRIZIONE
Legata alle dislocazioni in
cui si collocano coppie di
atomi di azoto (N-N)
Difetto puntuale dovuto a
due atomi di azoto legati
da una vacanza (N-V-N)
Difetto puntuale
dell’azoto legato ad una
vacanza (N-V)
Banda legata alla
ricombinazione accettoredonore tra boro ed azoto
Difetto puntuale del silicio
legato ad una vacanza
(V-Si) o (Si-V-Si)
Strumentazione
utilizzata
Microscopio elettronico a scansione (SEM)
Caratteristiche:
Energia 0,3-30 keV
Corrente 1 pA - 5mA
Vuoto  10-4 mbar
dnm  3  10
7
iA
E0 keV
E=30 keV I= 100pA d= 40 nm
E=5 keV I= 400pA d= 100 nm
Interazione elettroni-materia
Volume di generazione
Range di Kanaya-Okayama
AE01.67
RKO  0.0276 0.889
Z
ρ
Range RKO [ mm ]
6
5.57
5
4.11
4
2.82
3
1.75
2
0.89
1
0.12
0.28
0
0
5
10
15
20
Energia [keV]
25
30
Apparato di catodoluminescenza
Modalità pancromatica: raccolta dei fotoni di tutte le l
Modalità monocrocromatica: raccolta dei fotoni di una sola l
Range spettrale 250-850 nm ( 1.5-5 eV )
Apparato di catodoluminescenza
Apparato di catodoluminescenza
Specchio paraboidale
Calibrazione
Calibrazione
•Calibrazione in lunghezza d’onda
•Risoluzione degli spettri in funzione
dell’apertura delle fenditure
•Analisi delle armoniche secondarie di ordine
superiore
•Calibrazione in intensità
•Efficienza di raccolta del reticolo di
diffrazione e del fotomoltiplicatore
Calibrazione
in lunghezza d’onda
Lunghezza d'onda sorgente [nm]
900
5
Conteggi [a.u.]
10
4
10
3
10
800
700
600
500
400
y=A+Bx
A = -6,5 + 0,1 nm
B = 1,003 + 0,001
R = 0,9999
300
200
200
300
400
500
600
700
Lunghezza d'onda PA3 [nm]
2
10
300
400
500
600
700
800
900
Lunghezza d'onda [nm]
λSO nm   6.5 0.1 nm  1.003 0.001λSI nm
800
900
Analisi dei campioni
PUNTE DI DIAMANTE
DIAMANTI PLANARI
Tip_29a
Tip_29b
Tip_29c
Tip_33d
Tip_33e
Tip_32a
Tip_32c
Tip_30a
Tip_30b
Ralchenko 117 1.5 ppm
Ralchenko 125d Boro
Ralchenko 55 15 ppm
Cm1 <1ppm
Cm3 <1ppm
Naturale IIa
Azoto paramagnetico
Analisi dei campioni
Tip_32c
6x10
3
Conteggi [a.u.]
2.90 eV
5x10
3
4x10
3
3x10
3
2x10
3
1x10
3
0
2.0
2.5
3.0
Energia [eV]
Picco (2.90 ± 0.04) eV Banda A
3.5
4.0
Analisi dei campioni
Tip_29c
3.0x10
4
2.5x10
4
2.0x10
4
1.5x10
4
1.0x10
4
5.0x10
3
Conteggi [a.u.]
2.91 eV
2.37 eV
0.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Energia [eV]
Picco (2.37 ± 0.04) eV centro H3 (N-V-N)
Picco ( 2.91 ± 0.04 ) eV Banda A blu
3.5
4.0
Analisi dei campioni
-10
3.0x10
2.92 eV
-10
2.5x10
Corrente [A]
Naturale
IIa
-10
2.0x10
-10
1.5x10
-10
1.0x10
Picco (2.42 ± 0.02) eV centro H3
Picco (2.92 ± 0.02) eV Banda A
2.42 eV
-11
5.0x10
0.0
1.5
2.0
2.5
Energia [eV]
3.0
3.5
Analisi dei campioni
Cm1
2.0x10
-10
zona A
Corrente [A]
2.91 eV
1.5x10
-10
1.0x10
-10
5.0x10
-11
0.0
2.0
2.5
3.0
3.5
Energia [eV]
Picco (2.91 ± 0.04) eV
Banda A
Analisi dei campioni
SECONDARI
Cm1
RETRODIFFUSI
PANCROMATICA
Analisi dei campioni
Cm1
3.0x10
-11
2.5x10
-11
2.0x10
-11
1.5x10
-11
1.0x10
-11
5.0x10
-12
Energia variabile
-11
2.5x10
-11
2.0x10
-11
1.5x10
-11
1.0x10
-11
5.0x10
-12
EHT = 5 kV
Corrente [A]
EHT = 1 kV
Corrente [A]
3.0x10
2.92 eV
2.91 eV
2.62 eV
0.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0.0
1.5
4.0
2.0
Energia [eV]
8.0x10
3.0x10
-10
2.5x10
-10
2.0x10
-10
1.5x10
-10
1.0x10
-10
5.0x10
-11
2.90 eV
3.5
4.0
3.5
4.0
2.90 eV
EHT = 30 kV
-11
4.0x10
-11
2.0x10
-11
0.0
1.5
Corrente [A]
Corrente [A]
6.0x10
3.0
Energia [eV]
-11
EHT = 15 kV
2.5
2.0
2.5
3.0
Energia [eV]
3.5
4.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Energia [eV]
Analisi dei campioni
SECONDARI
PANCROMATICA
Cm1
MONOCROMATICA l = 440 nm
MONOCROMATICA l = 600 nm
Nessuna emissione
Analisi dei campioni
5.0x10
R117
-12
Corrente [A]
1.99 eV
4.0x10
-12
3.0x10
-12
2.0x10
-12
1.0x10
-12
2.90 eV
0.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Energia [eV]
Picco ( 1.99 ± 0.03 ) eV
Centro (N-V)
Picco ( 2.90 ± 0.03) eV Banda A
1.5 ppm di
azoto
Analisi dei campioni
SECONDARI
RETRODIFFUSI
R117
MONOCROMATICA l = 440 nm
MONOCROMATICA l = 600 nm
Analisi dei campioni
R55
R125d
-10
-10
1.0x10
3.0x10
1.98 eV
2.91 eV
-11
-10
2.0x10
-11
Corrente [A]
Corrente [A]
8.0x10
6.0x10
-11
4.0x10
-10
1.0x10
1.68 eV
-11
2.0x10
2.88 eV
2.21 eV
0.0
0.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Energia [eV]
Picco ( 1.98 ± 0.02 ) eV Centro (N-V)
Picco (2.88 ± 0.02 ) eV Banda A
15 ppm di azoto
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
3.4
Energia [eV]
Picco ( 1.68 ± 0.01 ) eV Centro (Si-V)
Picco ( 2.21 ± 0.01) eV Banda verde
Ricombinazione boro-azoto
Picco (2.91 ± 0.01) eV Banda A
Conclusioni
•Il sistema è stato ottimizzato e permette analisi dei
materiali complete ed affidabili.
•Studio delle impurità e dei difetti presenti nel reticolo
del diamante
•Quali sono: azoto, boro, silicio
•Il picco di emissione a 2.8-3.0 eV della banda A è
presente negli spettri di tutti i campioni
•Come si distribuiscono:
•I centri di emissione della banda A sono localizzati
lungo i bordi di grano e nelle dislocazioni del diamante
•Le impurità puntuali di azoto ESR sono distribuite
all’interno del reticolo cristallino del diamante in modo
uniforme
Spiegazioni
ulteriori
Interazione elettroni-materia
Urto elastico
Q Φ0   1.62 10
Urto anelastico
Elettroni retrodiffusi
energia: tra 0-E0
provenienza: 0.5-1 mm
Elettroni secondari
energia: E = 50 eV
provenienza: 50-500 Å
20
Z2
2 Φ0
cot
E2
2
dE
Zρ  1.166Em 
 2π e 4N0
ln

dX
AEm 
J

nBS
η
nB
nSE
δ
 δB  δBSη
nB
eventi
 atomi 
e 
2 
 cm 
 keV 
 cm 


η  ηZ,Φ 
δ  δΦ 
Apparato di catodoluminescenza
CARATTERISTICHE DELLO STRUMENTO
Efficienza di raccolta dello specchio paraboidale: 80%
passo del reticolodi diffrazione piano: 1200 mm-1
range spettrale del reticolo di diffrazione: 300-900 nm
range spettrale del tubo fotomoltiplicatore: 160-850 nm
Calibrazione
Risoluzione in funzione
dell’apertura delle fenditure
5
10
4
10
14
Deviazione standard [nm]
Conteggi [a.u.]
FENDITURE A 7.5
FENDITURE A 5
FENDITURE A 2.5
FENDITURE A 1
12
10
8
6
Y=A+B*X
A = 0.52 ± 0.06 nm
B = 1.73 ± 0.01 nm/mm
R=0.99995
4
2
3
10
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
0
1
Lunghezza d'onda l [nm]
2
3
4
5
6
F apertura fenditure [mm]

FWHM nm  0.85 nm  2 nm
mm
 F mm
7
8
Calibrazione
Calibrazione in lunghezza d’onda
armoniche secondarie
NERO: spettro senza
filtro
ROSSO: spettro con il
filtro
511 nm
5
10
10
Conteggi [a.u.]
4
10
10
598 nm
3
10
10
2
10
10
1
10
10
300
400
500
600
700
Lunghezza d'onda [nm]
800
900
Calibrazione
Calibrazione in intensità
PA3
4.0x10
5
3.5x10
5
3.0x10
5
2.5x10
5
Keithley
3
1.0x10
2.0x10
5
1.5x10
5
1.0x10
5
5.0x10
4
Fotocorrente [pA]
Conteggi/sec
2
8.0x10
2
6.0x10
2
4.0x10
2
conteggi
Boltzmann fit of Data27_conteggi
2.0x10
V=80%
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
Intensità [a.u.]
0.8
1.0
0.2
0.4
0.6
Intensità luminosa [a.u.]
0.8
1.0
Calibrazione
Calibrazione in intensità
•Reticolo monocromatore
•Tubo fotomoltiplicatore
1.000
Efficienza
0.100
0.010
0.001
100
200
300
400
500
600
700
Lunghezza d'onda [nm]
800
900
Luminescenza nei semiconduttori
Semiconduttori a gap diretta
Semiconduttori a gap indiretta
Luminescenza intrinseca
Luminescenza estrinseca
diretta
livelli interni della gap
Analisi dei campioni
E= 3 kV
E= 5 kV
Cm1
Energia
variabile
E= 15 kV
E= 30 kV