Cathodoluminescence - Principes physiques et systèmes de détection

La cathodoluminescence (CL) est l'émission de lumière par un solide soumis à un bombardement électronique (rayon cathodique). Elle a été couramment utilisée dans la vie de tous les jours par la télévision jusqu'à l'avènement des écrans plats LCD. En effet, le fonctionnement des écrans cathodiques repose sur l'émission de lumière par des phosphores émettant différentes couleurs (rouge, vert, bleu) sous l'impact de trois faisceaux d'électrons, donc sur la cathodoluminescence. Dans le domaine de la science des matériaux, le phénomène de cathodoluminescence permet de mettre en évidence les variations spatiales des propriétés optiques locales d'un matériau non métallique et conduit à une technique de caractérisation couramment utilisée pour l'étude des propriétés locales des matériaux semi-conducteurs et les isolants. C'est une méthode, en principe, non destructive dans le sens où le matériau n'est pas détruit par le faisceau d'électrons. Il se peut cependant que les propriétés optiques et électroniques des matériaux puissent être altérées de façon permanente ou temporaire par l'impact du faisceau qui peut ioniser ou créer des défauts, ou provoquer leur diffusion.

Les techniques de caractérisation par cathodoluminescence ne requièrent pas, ou très peu, de préparation de l'échantillon (surface polie et métallisée dans le cas des isolants). L'émission lumineuse peut être observée avec un microscope optique, mais les expériences sont réalisées très fréquemment avec un microscope électronique à balayage (MEB). Il est ainsi très facile d'obtenir une image bidimensionnelle des propriétés de luminescence de l'échantillon étudié. Certains microscopes électroniques en transmission à balayage (STEM) sont équipés d'un système de détection de cathodoluminescence.

La résolution spatiale de la cathodoluminescence est déterminée principalement par le volume d'émission des photons. Celui-ci dépend d'un certain nombre de paramètres et peut varier du nanomètre cube (nm³) au micromètre cube (μm³).

Ainsi, la cathodoluminescence est une méthode spectroscopique qui permet l'identification, à l'échelle locale, des défauts ponctuels et des impuretés responsables des propriétés de luminescence d'un matériau. La longueur d'onde des photons détectés est située dans le domaine infrarouge (IR), visible et ultraviolet (UV) du spectre électromagnétique.

La sensibilité de la cathodoluminescence est telle que l'on peut détecter des variations de concentrations d'impuretés de l'ordre de 10¹⁴ atomes · cm^–3, ce qui est très supérieur à ce que l'on peut obtenir en microanalyse X. Il est ainsi possible, en géologie, de détecter la présence de traces. Par contre, il n'existe pas de théorie universelle de la cathodoluminescence permettant de déterminer de façon quantitative la concentration d'impuretés dans un matériau ; cela provient du fait que les mécanismes donnant lieu à la luminescence ne sont pas seulement affectés par la présence d'un type d'impuretés, mais dépendent également de la présence de tout autre type d'impuretés et de défauts dans le matériau. En effet, les chemins de recombinaison des paires électron/trou générées par l'impact du faisceau électronique incident sont en compétition les uns avec les autres. Cependant, la cathodoluminescence constitue une méthode semi-quantitative dans le sens où l'on peut accéder à certains paramètres qui permettent de caractériser le matériau étudié.

L'intérêt de la cathodoluminescence par rapport à la photoluminescence (émission de lumière par un matériau soumis à une excitation lumineuse) réside en la possibilité de modifier la profondeur d'émission du signal en faisant varier la tension d'accélération des électrons incidents et donc en quelque sorte de localiser les défauts dans les trois directions de l'espace.

Les matériaux massifs ne sont pas les seuls à pouvoir être étudiés par cathodoluminescence. L'élaboration de couches épitaxiées, et surtout de puits, fils et boîtes quantiques semi-conducteurs, a conduit à un fort accroissement de son utilisation, tout d'abord en raison de la possibilité d'obtenir facilement des images avec une résolution spatiale bien supérieure à celles obtenues en photoluminescence. De plus, l'efficacité de luminescence des nanostructures est bien souvent supérieure à celle des matériaux massifs, du fait du confinement quantique des porteurs. Cela permet de s'affranchir en grande partie de l'influence, souvent néfaste, des surfaces libres et autres centres de recombinaison non radiatifs.