Articolo metodologico

Catodoluminescenza a basso consumo energetico per (Oxy) Fosfori nitruro

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DOI:

10.3791/54249

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15 novembre 2016

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1Graduate School of Pure and Applied Science, University of Tsukuba, 2CNRS — Saint-Gobain, UMI 3629, Laboratory for Innovative Key Materials and Structures (LINK), 3Nano Device Characterization Group, National Institute for Materials Science (NIMS), 4Sialon Unit, National Institute for Materials Science (NIMS)

In questo articolo

Sommario

Un ottimo chimici e luminescenza stabilità dei fosfori (ossi) nitruro presentano come alternativa promettente per utilizzato attualmente solfuro e ossidi di fosforo. In questo articolo, vi presentiamo il modo di studiare le sue proprietà di luminescenza locali utilizzando catodoluminescenza bassa energia (CL).

Abstract

fosfori oxynitride (Sialon) Nitride e sono buoni candidati per l'ultravioletto e le applicazioni delle emissioni visibili. Alte prestazioni, buona stabilità e la flessibilità delle loro proprietà di emissione possono essere ottenuti controllando la loro composizione e droganti. Tuttavia, molto lavoro è ancora necessario per migliorare le loro proprietà e di ridurre il costo di produzione. Un possibile approccio è quello di correlare le proprietà di luminescenza delle particelle Sialon con il loro ambiente strutturale e chimica locale al fine di ottimizzare i parametri di crescita e di trovare nuovi fosfori. A tale scopo, il catodoluminescenza bassa tensione (CL) microscopia è una tecnica potente. L'uso di elettroni come una sorgente di eccitazione consente di rilevare la maggior parte dei centri di luminescenza, rivelando la loro distribuzione luminescenza spazialmente e in profondità, confrontando direttamente risultati CL con le altre tecniche elettrone-based, e studiare la stabilità delle loro proprietà di luminescenza in stress. Tali vantaggi per fosfori caratterizzazione saranno evidenziati attraverso esempi di indagine su diversi fosfori Sialon di bassa energia CL.

Introduzione

Recentemente, sempre più attenzione è dedicata alle questioni ambientali, in particolare la produzione e il consumo di energia. Per rispondere a queste esigenze della società, la produzione di energia deve essere "più verde", che significa, riducendo il consumo di energia da fonti tradizionali o lo sviluppo di nuovi materiali ecologici. Diodi emettitori di luce (LED) e field emission display (federali) hanno ottenuto una significativa attenzione per la loro compattezza, prestazioni migliorate e consumi ridotti rispetto agli schermi reali, come ad esempio luci fluorescenti al mercurio a scarica di gas o schermi al plasma 1-5. Il fattore chiave per la sorgente luminosa del LED e FED è un fosforo ad alta efficienza. Terre rare fosfori drogate sono materiali inorganici costituiti da un reticolo ospite e droganti terre rare, in grado di emettere luce sotto di eccitazione di fotoni (raggi ultravioletti (UV), luce blu), elettroni (elettron-beam) o campo elettrico. I requisiti per i fosfori ad alta efficienza sono: 1) ad alta converefficienza Sion con le diverse fonti di eccitazione; 2) buona stabilità a bassa tempra termica; 3) la purezza elevata a colori, pieni di colori-riproducibilità. Tuttavia, solo un numero molto limitato di fosfori attualmente può soddisfare questi requisiti minimi. Attualmente fosfori a base di ossido utilizzati hanno un basso assorbimento nello spettro di luce visibile, mentre quelli a base di solfuro hanno una bassa stabilità termica e chimica. Inoltre, mostrano alla degradazione elettroni o all'atmosfera ambiente, che limita la durata del dispositivo. Poiché la loro purezza del colore e l'efficienza sono limitati, li rende difficili da utilizzare per la realizzazione di dispositivi luminescenti alta resa cromatica (CRI). Di conseguenza, è necessaria l'esplorazione di nuovi fosfori.

Terre rare nitruro drogato e oxynitride (Sialon) fosfori sono considerati buoni candidati con eccezionale stabilità termica e chimica in base alle loro strutture di legame chimico stabili. Stokes shift diventa più piccolo di una forte lattice e porta ad una elevata efficienza di conversione e una piccola tempra termica di fosfori 6-9. In generale, la luminescenza di bivalenti ioni delle terre rare, come Eu 2+ o Yb 2+, e Ce 3+ è attribuita a transizioni elettroniche 5d-4f, e consiste in una larga banda con la posizione di picco varia con il reticolo ospitante dovuta alla forte interazione tra orbitali 5D e il campo cristallino. Grazie alle loro proprietà, luminescenza lunghezza d'onda sintonizzabile è ottenuto modificando la natura chimica di ioni delle terre rare e la loro concentrazione nel reticolo ospite (Fig. 1). Così, fosfori Sialon possono essere utilizzati per realizzare alta CRI bianco-LED con sistema e le applicazioni fosfori blu-verde-rosso in UV-FED.

Anche se fosfori Sialon sono materiali promettenti, un sacco di lavoro come trovare nuove strutture e la riduzione del costo produzioni sono ancora necessari. Inoltre, a causa delle difficoltà in termini di ottimizzazione del peccatocondizioni Tering, fosfori Sialon spesso contengono fasi secondarie 18-20. Investigation di tali strutture localizzate è importante comprendere il meccanismo di sinterizzazione e ottimizzare le condizioni di sintesi, e quindi di migliorare le proprietà ottiche di fosfori Sialon. Questi obiettivi possono essere raggiunti da cathodoluminescence bassa energia tecnica (CL).

CL è un fenomeno in cui gli elettroni irradiano su un materiale luminescente provocano l'emissione di fotoni. Contrariamente a fotoluminescenza (PL), che è indotto da fotoni, l'area di eccitazione è solitamente dell'ordine di millimetro e eccitazioni selettivi migliorare particolari processi di emissione, eccita a fascio elettronico in scala nanometrica e attiva tutti i meccanismi di luminescenza presenti nel materiale , che può consentire la rilevazione di diverse fasi con differenti proprietà di luminescenza 10-12. Inoltre, gli elettroni incidenti possono generare non solo il segnale CLma anche vari segnali, come elettroni riflessa, Auger o X-ray, che forniscono informazioni diverse sui materiali. Così, la proprietà elettriche strutturale, chimico o possono essere ottenuti. La combinazione di queste tecniche con risultati CL in una migliore comprensione dell'origine delle strutture localizzate di Sialon fosfori 14-20.

Indagini CL possono essere eseguite mediante diversi tipi di sorgenti a fascio elettronico 13. Oggigiorno, microscopio elettronico a scansione (SEM) è il sistema più comune per eseguire misurazioni CL. Nel seguito, ci accingiamo a discutere prevalentemente questo sistema. Come si vede in Fig. 2, misurazioni CL vengono eseguite utilizzando una sorgente di elettroni (SEM), un collettore di luce (fibra ottica e monocromatore) e un sistema di rilevamento. Sistema di rilevamento costituito da un dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) e un tubo fotomoltiplicatore (PMT), che sono in modalità parallela-rilevazione e modalità seriale rilevamento rispettivamente.In generale, la luce raccolta dal campione viene regolata fessura e poi disperso da monocromatore a reticolo. Quando la luce raccolta del campione viene disperso sul CCD (modalità parallela rilevamento), ogni lunghezza d'onda di emissione viene simultaneamente rilevato. Quando una specifica lunghezza d'onda della luce dispersa viene selezionato da una feritoia (modalità seriale-detection), la sua intensità viene registrato dal PMT per formare immagini monocromatiche.

In questo lavoro, abbiamo principalmente segnalano l'uso di una bassa CL energia per la caratterizzazione dei fosfori Sialon, rappresentativo, Si-drogato AlN 14, 22, Ca-drogato (La, Ce) Al (Si 6-z Al z) ( N 10-z O z) (z ~ 1) (JEM) 15, Si / Eu-drogato AlN 16, 17 e Ce-drogato La 5 Si 3 O 12 N materiali. Trasversale metodo lucidatura sezione usando un fascio di ioni argon (metodo CP) è un metodo utile osservare strutture stratificate, grazie alla sua superficie lucidatura ampia con meno danni superficiali. essoè stata eseguita un'indagine di una struttura locale dei fosfori. La correlazione di CL con altre tecniche di elettroni-based e le indagini di stabilità luminescenza verrà anche illustrata.

Protocollo

1. I campioni

  1. sintesi Phosphor
    1. Progettare il prodotto, determinare i materiali di partenza e dei loro pesi basati sulle reazioni chimiche previste. Proprio peso delle polveri di partenza prime 14-20.
    2. Crush e mescolarle in un mortaio di agata a mano. A seconda della qualità delle polveri prime, mescolare per 15-30 min per ottenere una miscela omogenea quanto più possibile. Imballare la miscela di polvere in un crogiolo di nitruro di boro.
      NOTA: Eseguire i punti 1.1.1-1.1.2 in un vano portaoggetti sotto gas inerte, con una concentrazione molto bassa di ossigeno come prodotto finale o le polveri prime sono instabili in aria.
    3. Fuoco la miscela di polveri in un forno di sinterizzazione gas pressione con un riscaldatore grafite. Riscaldare i campioni a una velocità di riscaldamento costante. Introdurre nella camera di gas azoto predeterminato (99,999% di purezza), e contemporaneamente alzare la temperatura al valore desiderato.
      NOTA: Mantenere le stesse condizioni per tutta la durata della Sinte anello. Temperatura di riscaldamento e la durata sono diversi a seconda dei materiali 14-20.
    4. Dopo la cottura, spegnere l'alimentazione, e lasciare che i campioni raffreddare all'interno del forno. Schiacciare bene le polveri sinterizzate in un mortaio di agata a mano fino a ottenere particelle fini.
  2. Sezione trasversale
    1. Miscelare 150 mg di fosfori con 300 mg di resina e 30 mg di catalizzatore. Versare in uno stampo in silicone e cuocere a 60 ° C per 30 minuti sotto vuoto per l'evaporazione di ossigeno dalla miscela.
    2. Mettere in uno stampo in silicone e cotto di nuovo a 100 ° C per 60 minuti in aria per fabbricare un chip di polvere incorporato. Durante il riscaldamento, la maggior parte delle polveri sono depositati sul fondo a causa dell'alta densità del materiale.
    3. Lucidare l'aspetto del lato inferiore della piastrina mediante pratico-giro e Ar-ion sezione lucidatore per produrre una superficie a specchio. Maggiore è la quantità di polveri stampati permette una migliore osservazione della struttura interna di polveri.
jove_title "> 2. Catodoluminescenza

  1. Preparazione dei campioni e set-up
    NOTA: Come CL è una tecnica senza contatto, non ci sono requisiti particolari per la misurazione in sé. La preparazione dipenderà dagli obiettivi di misurazione. Così, per misurazioni quantitative, può essere preferibile mettere una grande quantità di polveri sul nastro di carbonio, o fatto un film. Per misure qualitative, ricerca di particelle isolate può essere favorita da mettere una piccola quantità di polvere su un nastro di carbonio o disperdere la polvere in etanolo e immergendo convenzionale rame micro griglia per TEM nella soluzione.
    1. Regolare l'altezza della fase del campione per allineare la parte superiore del campione con la fase di riferimento (12 mm).
    2. Inserire la fase del campione nella camera. Inserire lo specchio ellissoidale tra il cannone elettronico ei campioni. Assicurarsi che i campioni non si tocchino lo specchio ellissoidale per evitare di contaminare lo specchio o romperlo.
    3. Riempire il freddoing serbatoio di rivelatori con liquido N 2. Accendere il rivelatore. Attendere che le scuderie di temperatura rilevatori per iniziare le misurazioni CL. La temperatura ideale per la misura è di 110 K. NOTA: La temperatura può essere controllata sul software.
  2. misurazioni CL
    NOTA: Le condizioni del fascio elettronico, in particolare l'energia del fascio di elettroni e la corrente del fascio, vengono selezionati. Queste condizioni devono essere scelti in funzione dell'intensità prevista luminescenza dei campioni, la carica osservato, la degradazione luminescenza e gli interessi nell'analisi profondità.
    1. Posizionare il fascio elettronico in cui si vuole prendere SEM e / o spettro CL. Mettere a fuoco l'immagine al fine di far emergere la forma definita e correggere l'astigmatismo per ottenere un'immagine chiara e nitida. Regolare l'altezza palco e distanza di lavoro. Correggere l'astigmatismo utilizzando x, y stigmators sull'immagine ingrandita. Avviare il software per l'acquisizione CL.
    2. Ottimizzare la posizione dello specchio e laaltezza del campione per ottenere l'intensità più forte per gli spettri CL. Per eseguire, fare clic sul "misurazione in tempo reale" e selezionare "modalità continua" sul software. Impostare lo specchio nel monocromatore come "parte anteriore" per inviare la luce dispersa al CCD e prendere gli spettri CL rapido. Lentamente cambiare la posizione dello specchio e l'altezza del campione mantenendo l'immagine focalizzata SE e aumentando l'intensità CL.
    3. Per CL spettri di una vasta area, cliccare sull'icona "real-time di misura" e selezionare "modalità one-shot" sul software. Configurare il sistema di rilevamento luce per inviare la luce emessa al CCD. Secondo il campione, scegliere, larghezza della fenditura e misura del tempo di raccolta reticolo per ottenere la / risoluzione spettrale intensità più appropriata.
    4. Per CL di imaging monocromatico, cliccare sull'icona "Misura immagine" e selezionare il "rivelatore PMT" sul software. Impostare lo specchio in un monocromatores "retro" per inviare la luce dispersa al rivelatore PMT, e inserire una fessura. Secondo il campione, scegliere la risoluzione, ingrandimento, lunghezza d'onda raccolta desiderabile e tempo. Congelare l'immagine e inviarla al software.
    5. Per l'analisi CL locale, prendere l'immagine SE o CL prima. Fare clic sull'icona "misura", selezionare la posizione di prendere spettri sull'immagine. Configurare il sistema di rilevamento luce per inviare la luce emessa al CCD, e poi prendere spettri CL.
    6. Per CL evoluzione temporale, cliccare sull'icona "misura di dipendenza dal tempo" e selezionare "CCD" sul software. Configurare il sistema di rilevamento luce per inviare la luce emessa al rivelatore CCD. A seconda del software, selezionare i numeri di spettri e il tempo tra 2 misurazioni, ad esempio 360 spettri ogni 10 sec.

Risultati

La luminescenza è distribuita non soltanto lateralmente, ma anche in profondità. Tale distribuzione core-superficie è osservabile con CL modificando l'energia degli elettroni, poiché varia la profondità di penetrazione degli elettroni incidenti 21. Tuttavia, la profondità di penetrazione varia per ogni materiale e la corrispondenza tra energia di elettroni e la profondità di penetrazione non è lineare, e può introdurre alcuni effetti aggiuntivi, quali il riassorbimento di alto fotoni di energia dalle regioni profonde dal materiale stesso. Così, può essere preferibile osservare direttamente la distribuzione core-superficie tramite osservazione sezione trasversale. Nel caso di polveri di fosforo, tale osservazione può essere ottenuto intrappolando le particelle in una resina e lucidare il composito polvere resina mediante sezione lucidatore, per esempio. Poiché le particelle sono distribuite in modo casuale nella resina, la direzione di taglio non è controllabile. Tuttavia, l'elevata quantità di particelle di unllows taglio abbastanza particelle di effettuare tale analisi valida.

Per illustrare questo punto, abbiamo studiato la distribuzione luminescenza di polvere di nitruro di alluminio Si-drogato. Figura 5a mostra gli spettri CL di polveri AlN drogati con 0,0% e 1,6% di Si. L'emissione di AlN non drogato costituito da 2 bande a 350 e 380 nm, mentre quello di AlN drogato con 1,6% di una banda a 350 nm con una chiara spalla a 280 nm. I 350 e 380 nm bande sono attribuiti ad Al complessi vacante-ossigeno (O N -V Al), mentre la spalla a 280 nm con il nitruro di alluminio O-purificata colpiti da Si a formare SiO vapore 22. Figura 5b e 5c mostrano la CL immagini prese a 280 nm a-sinterizzato e sezionata polveri AlN drogati con 1,6% di Si, rispettivamente. L'emissione 280 nm è non uniforme lungo le particelle dall'immagine CL del campione-sinterizzato, le aree più luminose sembrano essere ai bordi del particelle, ma le morfologie delle particelle e la loro distribuzione possono fare tali osservazioni non così ovvio. Tuttavia, dall'immagine CL del campione sezionato, appare chiaro che l'emissione di 280 nm è localizzato principalmente alle superfici delle particelle, suggerendo che le particelle AlN sono effettivamente rivestite da un Si-ricco strato e la superficie di purificazione può procedere.

variazioni di composizione locali a fosfori Sialon possono influenzare drasticamente le proprietà di luminescenza. Così, lo stesso di ioni di terre rare in diversi host-reticoli o in siti diversi può dare diverse emissioni 15,18-20. Ma, purtroppo, differenze locali durante la sinterizzazione, come una distribuzione di temperatura o materiali percentuale grezza, o l'ossidazione parziale della superficie delle particelle, si prevede, con conseguente modifica della composizione lungo le particelle e / o in la coesistenza di diverse fasi. Tali effetti possono non essere direttamente osservabile con tecniche di caratterizzazione strutturale e chimici. Pertanto, è importante indagare le proprietà di luminescenza locali di un fosforo. Con il controllo preciso della dimensione e della posizione del fascio elettronico in un SEM, è possibile non solo di acquisire uno spettro CL da una regione nanoscala, ma anche di ottenere immagini ad alta risoluzione CL dei centri di luminescenza.

(La, Ce) Al (Si 6-z Al z) (N-10 z O z) (z ~ 1) (JEM) è un intenso blu fosforo che è adatto per l'illuminazione generale. Si è trovato che sostituendo (La, Ce) da Ca, uno spostamento rosso e un allargamento dei picchi CL avvenire secondo Ca-doping. Si credeva che Ca stata interessando la scissione campo di cristallo di Ce 3+. Tuttavia, questa spiegazione, basata solo sugli spettri di luminescenza, è fuorviante, come rivelato da trasversale analisi locale sezione. 15 Figura 6 mostra il cross-sectional SE (CS-SE), combinate immagini CS-CL a 300 nm (rosso), 430 nm (blu) e 540 nm (verde) e spettri CL locale scattata al 5 kV per fosfori JEM drogati con 0 (a, b, c) e 0,69 (d, e, f) a. % Di Ca rispettivamente. Deve stato notato che queste lunghezze d'onda sono state selezionate in modo da ridurre le bande sovrapposte nel caso che esistono diverse bande. CS-CL immagine del campione Ca-drogato Per particelle JEM consistono di molte particelle agglomerate tra loro. La luminescenza a 430 nm è quasi uniformemente distribuito con area luminosa e alcuni di zona localizzata a 300 nm. D'altra parte, i bordi di grano mostrano emissioni più scuro. analisi CL locale rivela che la forma spettrale è relativamente paragonabile in qualsiasi posizione, con uno spostamento dei gruppi provenienti da 430 su 450 nm e l'intensità spettrale in buon accordo con le immagini. CS-CL immagine di Ca-drogati per essere, ci sono differenze significative tra i 430 ei 540 nm. patch submicron appaiono chiaramente più luminoso a 300 e 540 nm lungo un grande Poincidenza sulle particelle con regioni di confine grano più scuro, mentre l'emissione 430 nm è localizzato in un'altra sezione delle particelle. Per analisi locale, lo spettro CL assunto un 430 nm zona luminosa (punto 3) consiste di una banda a 440 nm, paragonabile a quello osservato per il campione Ca-drogato. Le aree luminose 540 nm, incorporato nella stessa particella, (punti 1 e 4) mostrano una banda a 480-490 nm. Piccole aree luminose 300 nm (punto 2) e la regione bordo di grano scuro (punto 5) mostrano una banda a 440 nm con la spalla a 480 nm, con occasionalmente emissione a 310 nm. Sulla base della letteratura e XRD analisi, possiamo attribuire la banda centrata a circa 430 nm a Ce 3+ in JEM 22 e che a 480 nm a Ce 3+ in α-SiAlON 23. L'emissione ampia scura è nato a Ce 3+ in β-SiAlON, e che a 310 nm a Sialon materiale ospite. Questi risultati dimostrano che il cambiamento rosso e l'ampliamento dei picchi CL in base alla Ca doping non possono essere attribuiteai cambiamenti Ca-indotte nel campo di cristallo scissione del Ce 3+ come inizialmente pensato, ma più per la coesistenza di diverse fasi all'interno delle stesse particelle e la graduale trasformazione di β-SiAlON di alfa-SiAlON con Ca doping.

Sebbene l'osservazione dei diversi centri di emissione e la loro distribuzione è possibile utilizzando CL bassa energia, può non essere sufficiente per comprendere appieno la natura dei centri di luminescenza. In tali casi, è necessario combinare le misurazioni CL con altre tecniche. Poiché gli elettroni incidenti possono generare altri segnali accanto CL, è possibile correlare direttamente l'emissione luminosa con proprietà strutturali elettrica, chimica o studiando la stessa area con le diverse tecniche a fascio elettronico. Così, la correlazione di CL con alta risoluzione TEM (HRTEM) ed EBIC è stato usato per caratterizzare difetti quali dislocazioni o difetti di impilamento. Quanto ala variazione di concentrazione / composizione, la combinazione di CL con TEM, EDS o spettroscopia Auger può risultare in una migliore comprensione dell'origine della luminescenza.

Qui, illustriamo questo aspetto studiando l'emissione di polvere di AlN Si-drogato. Figura 7 mostra le immagini CS-CL e CS-EDS (a, b) e locali spettri (c, d) di AlN particelle drogato con 4,0% Si doping. L'immagine CS-CL è stata presa a 350 nm, mentre l'immagine CS-EDS consiste nella sovrapposizione di distribuzione Si e Al. L'immagine CS-CL mostra più scuro struttura allungata nel centro delle particelle. spettri CL locali adottate nella regione luminosa costituiti da un forte picco a 350 nm con spalle a 280, 380 e 460 nm. Tuttavia, vi sono evidenti cambiamenti nei rapporti tra queste diverse bande con la posizione. Aree mostrano una emissione luminosa a 350 nm (punto 1) mostra una maggiore emissione di 280 nm e più piccolo di emissione 460 nm rispetto al main banda a 350 nm, mentre la patch scura allungata (punto 2) mostra una minore emissione di 280 nm e superiori di emissione 460 nm rispetto alla banda principale a 350 nm. Il 460 nm è originato da Si-accomodante difetti di AlN 24. immagini EDS e spettri locali rivelano che la zona allungata scura mostrano un più piccolo Al e superiori composizione Si rispetto al resto delle particelle. Rispetto ai risultati osservati in figura 5, si può supporre che aumentando la quantità di Si in AlN, una reazione secondaria avviene tra Si e AlN, che induce la formazione di fasi SiAlON.

I due parametri importanti per un materiale utilizzati in dispositivi sono materiali ad elevate prestazioni e stabilità in condizioni di stress. Infatti, una degradazione delle proprietà del materiale sotto sforzo ridurrà la durata, il che non è industrialmente realizzabile. Così, per dispositivi a fascio elettronico stimolati, come tubi catodici (CRT) e FED, è necessary sviluppare fosfori resistenti fascio elettronico irradiazione e / o per comprendere i meccanismi a fascio elettronico indotte per prevenire o ridurre tali effetti. La degradazione luminescenza può avvenire attraverso diversi meccanismi, come ad adsorbimento / desorbimento o la carica in corrispondenza delle superfici, creazione o attivazione di difetti, ecc 25-27. Sebbene queste variazioni di intensità complicano l'analisi quantitativa dei risultati CL, possono essere usati per studiare la durata di dispositivi optoelettronici.

Per illustrare questo punto, abbiamo gli spettri CL e evoluzioni dei due fosfori blu-emitting, Ce-drogato La 5 Si 3 O 12 N e Si / Eu-drogato nitruro di alluminio. La figura 8a mostra gli spettri CL per Ce-drogato La 5 Si 3 O 12 N e Si / Eu-drogato AlN dopo 20 secondi di irradiazione a 5 kV. Entrambi i campioni mostrano un'emissione blu intenso: la posizione della banda e l'intensità per Ce-drogato La 5 Si 3 O 12 N sono 456 nm e 3.270 cps, rispettivamente, mentre quelli per Si / Eu-codoped AlN sono 466 nm e 3.100 cps. A priori, la differenza principale tra questi 2 campioni è l'ampiezza dell'emissione, dall'emissione di Ce-drogato La 5 Si 3 O 12 N è maggiore a causa della coesistenza di numerose bande. Così, sembra che entrambi i materiali sono adatti come fosfori blu emettitori per FED, e che dobbiamo considerare criteri come costo di fabbricazione, la compatibilità con gli altri fosfori o la stabilità delle proprietà di luminescenza sotto irradiazione a fascio elettronico, per determinare la più adatto. figura 8b mostra le evoluzioni di intensità CL di Ce-drogato la 5 Si 3 O 12 N e Si / Eu-drogato AlN durante l'irradiazione a fascio elettronico a 5 kV. Per Ce-drogato La 5 Si 3 O 12 N, l'intensità diminuisce da 3.270 a 450 cps a 5 min e a 95 cps a 60 min. Vale a dire, in 3.600 sec5 kV irradiazione, l'intensità diminuisce più del 95% dell'intensità iniziale. Per Si / Eu-drogato AlN, l'intensità diminuisce 3.100 a 2.500 cps a 60 min, cioè una diminuzione del 20% di tale intensità iniziale. Questi risultati mostrano chiaramente che il AlN Si / Eu-drogato è molto migliore candidato di Ce-drogato La 5 Si 3 O 12 N è dovuta alla sua maggiore stabilità.

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Figura 1: luminescenza di terre rare drogati fosfori SiAlON Immagini di diversi fosfori sotto visibile (a) e raggi ultravioletti (b) la luce.. (C) normalizzato CL spettri di Eu 2+ in diversi reticoli di accoglienza. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 2: Configurazione di CL (a) fotografia del SEM con Cl sistema, con inserto una fotografia dello specchio ellissoidale.. (B) immagine schematica del sistema di rilevamento della luce. Fate clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 3: Preparazione di fosfori SiAlON (a) Determinazione delle polveri di partenza, condizioni peso e sinterizzazione;. (B) miscelazione delle polveri prime; (C) sinterizzazione della miscela di polveri; (D) polveri sinterizzate prima e dopo la frantumazione.target = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 4:. Sezione preparazione (a) miscelazione delle polveri con resina e l'indurente, e aria evaporazione nella miscela. (B) Versare in uno stampo in silicone e riscaldamento. (C) lucidatura dei chip da handy-giro e Ar-ioni sezione lucidatrice. (D) Misurazione zona lucido trasversale. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 5:. Distribuzione core-shell in AlN Si-drogato (a) CL spettri di polveri AlN drogato con 1,6% di Si a 5 kV. (B - c) le immagini CL presa a 5 kV e 280 nm per as-sinterizzato (b) e polveri (c) AlN sezionato drogati con 1,6% di Si, rispettivamente. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura .

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Figura 6:. Analisi locale di fosforo JEM Ca-drogato CS-SE, combinate immagini CS-CL a 300 nm (rosso), 430 nm (blu) e 540 nm (verde) e spettri di CL locale presa a 5 kV per fosfori JEM drogato con 0 (a, b, c) e 0,69 (d, e, f) a. % Di Ca rispettivamente.ig6large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 7:.. CL e EDS confronto delle immagini Si-drogati AlN CS-CL e CS-EDS (A, C) e locale spettri (b, d) di nitruro di alluminio particelle drogati con 4,0% di Si doping Cliccate qui per visualizzare un grande versione di questa figura.

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Figura 8:. Stabilità Luminescence di due fosfori blu (a) CL spettri di Ce-drogato La 5 Si 3 O 12 N e Si / Eu-drogato AlN dopo 20 secondi di irradiazione a 5 kV. (b ) Evoluzioni di intensità CL di Ce-drogato La 5 Si 3 O 12 N e Si / Eu-drogato nitruro di alluminio durante l'irraggiamento a fascio elettronico a 5 kV. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussione

Attraverso questi esempi rappresentativi di CL caratterizzazione a bassa energia su fosfori Sialon, abbiamo mostrato come tecnica potente e veloce per le indagini fosfori può essere. Misurando la misurazione CL e mappatura locale, sfruttando la flessibilità nella preparazione del campione e combinando CL con altre tecniche, possiamo attribuire maggiore precisione le origini della luminescenza, chiarire i meccanismi di crescita e determinare i fosfori più adatti per applicazioni. Questi risultati sono essenzialmente realizzabili a causa dei miglioramenti dei microscopi elettronici e rivelatori di luce, che esaltano il tempo di raccolta di misura, la sensibilità e la risoluzione spaziale.

Entrambi i fosfori Sialon e campi CL non sono naturalmente limitati agli aspetti presentati in questo documento. Nel seguito, al fine di ampliare la discussione, ci accingiamo a discutere un po 'di più su di loro separatamente.

Nel caso in cui ofosfori f Sialon, con le loro proprietà di luminescenza e stabilità superiori, stanno essendo sempre più utilizzati per applicazioni di illuminazione. Tuttavia, essi presentano anche molto interessante meccanico, termico, magnetico, superconduttività, elettrico, elettronico, e le proprietà ottiche, che possono essere regolati cambiando la loro composizione. Pertanto, esse si trovano anche in una vasta gamma di applicazioni come rivestimenti antiriflesso, assorbitori solari, specchi di calore, pigmenti colorati,-luce-driven visibile fotocatalizzatori, finestre trasparenti e armature, o sonde fluorescenti per bio-medico di imaging 29. Possiamo anticipare che stanno andando a svolgere un ruolo cruciale in molti aspetti energetici e legati all'ambiente, come ad esempio la raccolta in modo efficiente l'energia solare, realizzando l'economia dell'idrogeno, riducendo gli inquinamenti ambientali, il risparmio delle risorse naturali, ecc, tuttavia, un sacco di lavoro è ancora necessario per continuare a migliorare le loro proprietà, riducendo il loro costo di produzione, come ad esempio decreAsing la temperatura di sinterizzazione o limitare l'uso di ioni di terre rare. Esso può essere realizzato trovando nuovi fosfori Sialon e chiarire il ruolo delle condizioni composizione e crescita sulle proprietà. Abbiamo visto che il CL può svolgere un ruolo importante per raggiungere questi obiettivi. Ma, recenti nuovi approcci hanno anche rivelato possibilità molto promettenti. Due di questi approcci sono tempo di volo di ioni secondari spettrometria di massa (TOF-SIMS) e single-particelle diagnosi. TOF-SIMS è in grado di risolvere spazialmente l'intero spettro di massa ad alta sensibilità, che permette non solo la rilevazione di specie in tracce-livello, ma anche le differenze di stato di ossidazione 31. La diagnosi singola particella consiste nel trattamento di una particella luminescenti individuo in una miscela complessa come un piccolo cristallo singolo ed esaminare le proprietà ottiche e strutturali mediante super-risoluzione cristallo singolo diffrazione X e fluorescenza singola particella 31.

Quanto CL caratterizzazione bassa energia, in questo documento, abbiamo principalmente concentrati sull'uso di CL fosfori Sialon, mentre CL può essere utilizzato anche per altri materiali, quali semiconduttori, nanostrutture, materiali organici, e ceramiche. D'altra parte, anche se CL è una tecnica preziosa per la caratterizzazione qualitativa dei materiali optoelettronici, induce anche alcune cautele per misurazioni quantitative. Infatti, i risultati CL dipendono non solo dalla condizioni di eccitazione, la corrente del fascio di elettroni e di energia, ma anche dalla quantità di materiali investigati 25. Così, una piccola variazione di questi parametri può cambiare notevolmente l'intensità CL. Inoltre, irradiazione a fascio elettronico può aumentare la possibilità di danneggiare i campioni. Si può indurre un cambiamento drastico nell'intensità, o indurre la creazione / attivazione di nuovi centri di luminescenza, che possono influenzare l'affidabilità delle misurazioni quantitative CL. Lo sviluppo di CL in materiali characterization è stato e sarà fortemente correlato ai miglioramenti nei microscopi a fascio elettronico ed i rivelatori di luce. Quindi, è ora possibile effettuare TEM. Esso consente una maggiore risoluzione spaziale e osservazione diretta della variazione luminescenza di osservazione in situ di cambiamento luminescenza accompagnato con il cambiamento microstruttura causata da fascio elettronico spostamento atomico indotta, per esempio 32-34. Inoltre, con l'aggiunta di un soppressore trave-colonna sincronizzato con il rilevatore ottico, è ora disponibile per utilizzare fascio elettronico in modalità a impulsi, che permette di eseguire misure di profilo decadimento in un microscopio elettronico 35. Esso può essere anche pensato che l'uso di impulsi irradiazione a fascio elettronico può ridurre il fascio elettronico danni indotti, che migliorerà l'affidabilità delle misurazioni quantitative e aiutare nella caratterizzazione di materiali sensibili a fascio elettronico. Questi 2 esempi illustrano come CL analisi può migliorare in futuro.

Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato supportato in parte dal progetto Green Network of Excellence (GRENE) del Ministero dell'Istruzione, della Cultura, dello Sport e della Tecnologia (MEXT) in Giappone. Gli autori sono anche grati ai tecnici dell'Unità Sialon per il loro aiuto nella sintesi dei fosfori, a MANA per il suo aiuto nelle misure EDS e a K. Nakagawa per l'aiuto nel sistema CL.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
SEMHitachiS4300
Monocromatore a triplo reticoloHoriba Jobin-YvonTriax 320
FotomoltiplicatoreHamamatsuR943-02
Dispositivo ad accoppiamento di carica con 2048 canaliHoriba Jobin-Yvon Spectrum One
Forno di sinterizzazione a pressione di gas con riscaldatore in grafite Fujidempa Kogyo Co., Ltd.FVPHR-R-10, FRET-40
Stampo in silicone LADD21780
Lucidatrice a sezione trasversale agli ioni di ariaJEOLSM-09010
EDSBRUKERXflash6/100
ResineJEOLCodice 780028520

Riferimenti

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