Misure di Catodoluminescenza su diamante naturale ed artificiale

Presentazione sul tema: "Misure di Catodoluminescenza su diamante naturale ed artificiale"— Transcript della presentazione:

1 Misure di Catodoluminescenza su diamante naturale ed artificiale
Natalia Bo Misure di Catodoluminescenza su diamante naturale ed artificiale Relatore: Prof. Claudio Manfredotti

2 quali sono, come si distribuiscono
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

3 Strumentazione utilizzata
Presentazione: Fenomeni di luminescenza Difetti nei solidi Catodoluminescenza Centri di luminescenza del diamante Teoria Microscopio elettronico a scansione (SEM) Apparato di catodoluminescenza Strumentazione utilizzata Calibrazione dell’apparato di catodoluminescenza In lunghezza d’onda e in intensità Risoluzione Efficienza Spettri di catodoluminescenza Mappe di catodoluminescenza Analisi dei campioni

4 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

5 Luminescenza nei semiconduttori
Nei semiconduttori la luminescenza è descritta come ricombinazione elettrone-lacuna Semiconduttori a gap diretta Semiconduttori a gap indiretta Luminescenza intrinseca diretta Luminescenza estrinseca livelli interni della gap

6 Difetti nei solidi Difetti puntuali Difetti planari
Difetti monodimensionali Difetti tridimensionali

7 Catodoluminescenza Trappola per elettroni se>sh
Trappola per lacune sh>se Centro di Ricombinazione sesh tempo di vita medio dei portatori minoritari

8 Intensità del segnale di catodoluminescenza
f fattore di correzione velocità di ricombinazione dei portatori eccesso di portatori minoritari per unità di volume tempo di vita medio per ricombinazione radiativa

9 Centri di luminescenza misurati nel diamante

10 Strumentazione utilizzata

11 Microscopio elettronico a scansione (SEM)
Caratteristiche: Energia 0,3-30 keV Corrente 1 pA - 5mA Vuoto  10-4 mbar E=30 keV I= 100pA d= 40 nm E=5 keV I= 400pA d= 100 nm

12 Interazione elettroni-materia

13 Range di Kanaya-Okayama
Volume di generazione Range di Kanaya-Okayama

14 Apparato di catodoluminescenza
Modalità pancromatica: raccolta dei fotoni di tutte le l Modalità monocrocromatica: raccolta dei fotoni di una sola l Range spettrale nm ( eV )

15 Apparato di catodoluminescenza
Specchio paraboidale

16 Calibrazione

17 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

18 Calibrazione in lunghezza d’onda

19 Analisi dei campioni PUNTE DI DIAMANTE Tip_29a Tip_29b Tip_29c Tip_33d
Tip_33e Tip_32a Tip_32c Tip_30a Tip_30b DIAMANTI PLANARI Ralchenko ppm Ralchenko 125d Boro Ralchenko ppm Cm1 <1ppm Cm3 <1ppm Naturale IIa Azoto paramagnetico

20 Analisi dei campioni Tip_32c Picco (2.90 ± 0.04) eV Banda A

21 Picco (2.37 ± 0.04) eV centro H3 (N-V-N)
Analisi dei campioni Tip_29c Picco (2.37 ± 0.04) eV centro H3 (N-V-N) Picco ( 2.91 ± 0.04 ) eV Banda A blu

22 Analisi dei campioni Naturale IIa Picco (2.42 ± 0.02) eV centro H3
Picco (2.92 ± 0.02) eV Banda A

23 Analisi dei campioni Cm1 Picco (2.91 ± 0.04) eV Banda A

24 Analisi dei campioni SECONDARI Cm1 RETRODIFFUSI PANCROMATICA

25 Analisi dei campioni Cm1 Energia variabile

26 Analisi dei campioni Cm1 Nessuna emissione SECONDARI PANCROMATICA
MONOCROMATICA l = 440 nm MONOCROMATICA l = 600 nm Nessuna emissione

27 Picco ( 1.99 ± 0.03 ) eV Centro (N-V)
Analisi dei campioni R117 1.5 ppm di azoto Picco ( 1.99 ± 0.03 ) eV Centro (N-V) Picco ( 2.90 ± 0.03) eV Banda A

28 Analisi dei campioni R117 SECONDARI RETRODIFFUSI
MONOCROMATICA l = 440 nm MONOCROMATICA l = 600 nm

29 Analisi dei campioni R55 R125d 15 ppm di azoto
Picco ( 1.98 ± 0.02 ) eV Centro (N-V) Picco (2.88 ± 0.02 ) eV Banda A 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 15 ppm di azoto

30 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 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

31 Spiegazioni ulteriori

32 Interazione elettroni-materia
Urto elastico Urto anelastico Elettroni retrodiffusi energia: tra 0-E0 provenienza: mm Elettroni secondari energia: E = 50 eV provenienza: Å

33 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: nm range spettrale del tubo fotomoltiplicatore: nm

34 Risoluzione in funzione dell’apertura delle fenditure
Calibrazione Risoluzione in funzione dell’apertura delle fenditure

35 Calibrazione Calibrazione in lunghezza d’onda armoniche secondarie
NERO: spettro senza filtro ROSSO: spettro con il filtro

36 Calibrazione in intensità
PA3 Keithley

37 Calibrazione Calibrazione in intensità Reticolo monocromatore
Tubo fotomoltiplicatore

38

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40 Luminescenza nei semiconduttori
Semiconduttori a gap diretta Semiconduttori a gap indiretta Luminescenza intrinseca diretta Luminescenza estrinseca livelli interni della gap

41 Analisi dei campioni Cm1 Energia variabile E= 3 kV E= 5 kV E= 15 kV