光致激發光譜儀(Photoluminescence，PL)

材料的光學性質主要是取決於晶體之電子能帶結構(electronic energy band structure)或稱為鍵結結構。這包括能量與動能的關係、電子分佈、電子密度、能 階的佔有率(occupancy of allowed states)與能量的函數關係。激發光(luminescence) 分光儀就是分析材料鍵結結構的儀器之一，激發光是原子、分子、高分子和晶體 的能階(energy level)由非熱激發所產生的光輻射。激發光譜與材料內部鍵結結構 (bonding structure)有關，其中重要的光譜參數包括波峰之波長(λpeak)及強度(Ipeak)、

波峰強度降至一半時之波長(低波長邊稱為 λF-，在高波長邊稱為 λF+)和波峰半高 寬(full width at half maximum，FWHM=λF^＋

-λF-)，這些參數與試片之組成、缺陷密度以及結晶度(crystallinity)有關。

電子由高能階轉換到低能階的過程中，可能放射出光子；電子由低能階轉換 至高能階再轉換到另外的低能階也可能放射出光子。激發光可分為︰

(1) 固有的(intrinsic)或邊際放射(edge emission)激發光。

(2) 非固有的(extrinsic)、被激發的(activated)或特性激發(characteristic emission) 激發光。

其中固有的激發是由原有的固體內部能階轉換而來；非固有的激發則是由一些雜

(1) 能量的吸收與發射在同一個激發光中心(luminescence center)

(1) 非放射結合路徑(non-radiative recombination paths，NR paths) (2) 放射結合路徑(radiative recombination paths)

光激發光之光譜分佈與結合的路徑、過程有關連。以半導體材料而言，在室 溫底下其 PL 波峰較寬且能量略高於其能帶間隙；在低溫時，其波峰較窄且具有 其他較長波長之波峰出現。其波峰位置與強度和雜質種類有關(如 Figure 3.19)，

因此光激發光之光譜可作為判別試片品質之用。降低溫度可以增進波峰解析度及 增強光激發光之信號強度，亦即減少非放射結合路徑(NR paths)。

Figure 3.19 低溫與室溫之光致激發光譜比較圖

激發光源之選用尚須考慮下列因素︰波長是否為連續波、強度和聚焦面積。激發 光源之能量必須高於欲發射之光子能量；光源強度則決定訊號之強度；聚焦面積 則決定空間解析力。^[58]

3.5.4 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)

一般所謂高解析度電子顯微鏡(high resolution electron microscope，HRTEM) 僅可提供材料內部的形態、晶體原子結構及少許成份的訊息。在穿透式電鏡中高 能量的入射電子(100kV~1Mev)通過樣品之後發生了彈性散射(elastic scattering)及 非彈性散射(inelastic scattering)。彈性散射是因為入射電子與樣品內部原子之庫倫

(dispersion)至不同位置。而能量過濾器不僅可以分析材料內部原子結構並且可以 將材料內部之成份進行定量及鍵結分佈(mapping)。

Figure 3.20 高能電子和單一原子作用之示意圖

高能量的入射電子與單一原子作用，其入射電子因原子的庫倫位能而偏折，

不損失任何能量稱為彈性散射，包括直接透射(unscattered)的電子。當透射光及散 射光通過電子能量損失譜儀之後，不同能量損失之電子會被聚焦在不同位置。由 能量損失譜儀得到的電子強度對能量損失分佈圖稱為能量損失譜(如 Figure 3.21)，基本上包括三大區域。

Figure 3.21 典型的 EELS 能譜示意圖，區域 I︰零損失峰；區域 II︰低能量損失 區；區域III︰核損失區。核損失區之強度遠低於前面兩區，欲同時 顯示的話必須經由放大。

(a) 零損失峰(Zero Loss Peak)︰主要由未損失能量的電子所組成，包含完 全未與試片作用的直射電子和曾發生彈性散射而未損失能量的電 子。可用於進行校正及試片厚度計算。

(b) 低能量損失區(Low Energy Loss Region)︰能量範圍大致位於 5~50eV 之間，入射電子可與試片內的原子價電子或導電電子作用，引起能帶 內的電子集體振動因而損失少部份能量。一般稱為電漿子損失，可用 於樣品厚度計算。

(c) 核損失區(Core Loss Region)︰所在區域位於 50eV 以上的能譜部份。

入射電子轟擊掉內層電子而產生損失特徵游離能量稱為核損失(core loss)。通常以 K、L、M…等英文字母代表不同層的電子軌域。

Figure 3.22 K、L、M、N、O 特性邊刃的形狀示意圖