Катодолюминесце́нция, люминесценция, возбуждаемая в веществе при бомбардировке его быстрыми электронами — электронным пучком. Так как электронные пучки назывались катодными лучами, то и люминесценция, возникающая при облучении электронами, получила название катодолюминесценции.
Катодолюминесценция обусловлена целым рядом сложных процессов, протекающих между актом начального возбуждения люминофора и актом излучения света. Для возбуждения католюминесценции достаточно, чтобы энергия возбуждающих электронов в ~ 1, 5 раза превышала ионизационный потенциал облучаемого вещества — кристаллофосфора. Однако применение таких медленных электронов не позволяет получать устойчивую катодолюмесценцию. Это связано с целым рядом эффектов, возникающих при катодолюминесценции, когда преобразование энергии электронов проходит несколько последовательных стадий. При облучении люминесцентного экрана потоком электронов часть энергии теряется. Под действием электронов поверхность люминофора очень быстро приобретает отрицательный заряд, и в результате возбуждающие электроны, отталкиваясь от нее, тормозятся и теряют энергию. Отражение электронов, связанное в первую очередь с кулоновским взаимодействием, играет существенную роль при катодолюминесценции. Дополнительные потери энергии возникают также за счет безызлучательной рекомбинации на различных дефектах решетки, концентрация которых особенно велика в поверхностном «мертвом» слое кристалла, толщиной порядка 1 мкм. Часть электронов испытывает упругое и неупругое отражение от поверхности, часть электронов, проникших в люминофор, претерпевает рассеяние. При этом образуются новые носители заряда, которые могут передать энергию люминесцентным центрам или кристаллической решетке.
В результате рассеяния первичных электронов в кристаллической решетке люминофора при взаимодействии с атомами решетки, электроны, обладающие высокой энергией, ионизуют их, создавая второе поколение электронов, которые, в свою очередь, ионизуют другие атомы. При этом образуются элементарные возбуждения типа электронно-дырочных пар, экситонов, плазмонов и т. д., при распространении которых могут возбуждаться центры свечения. При рекомбинации на центрах свечения электронов и дырок и возникает катодолюминесценция. Центры свечения при катодолюминесценции те же, что и при фотовозбуждении, поэтому спектр катодолюминесценции аналогичен спектру фотолюминесценции. Таким образом, ионизация атомов, сопутствующая рассеянию, приводит к образованию вторичных электронов, также способных принять участие в создании элементарных возбуждений кристаллической решетки, а за счет миграции элементарных возбуждений область возникновения люминесценции по сравнению с реальной глубиной проникновения электронов в люминофор значительно расширяется.
Глубина проникновения электронов в люминофор растет пропорционально квадрату их энергии и при энергиях электронов в несколько килоэлектронвольт не превышает 1 мкм.
Для католюминесценции характерно наличие порогового напряжения U0, при котором люминофор начинает светиться. Наличие U0 обусловлено отталкиванием первичных электронов поверхностным зарядом, и составляет для высоковольтных катодолюминофоров 100-400 В.
Яркость кадолюминесценции зависит от условий возбуждения плотности тока в электронном пучке и ускоряющего напряжения. При больших плотностях тока возбуждения линейный характер зависимости яркости люминесценции от плотности тока нарушается. При этом на поверхности люминофора возникает вторичная электронная эмиссия, и заряд люминофора уносится вторичными электронами. Люминесценция выходит на насыщение, связанное с насыщением скорости электронных переходов в центрах свечения, увеличением тормозящего поля и обычным температурным тушением люминесценции. Однако при импульсном возбуждении некоторых особо чистых кристаллов и сублимированных пленок яркость узких полос испускания, расположенных вблизи края поглощения, возрастает быстрее плотности тока.
Практически яркость свечения католюминесцентных экранов не превышает 200-700 кд/м2.
Основным каналом, снижающим энергетический выход люминесценции, являются тепловые потери энергии электронов (переход электронов и дырок в обычные тепловые электроны и дырки, сопровождаемый возбуждением тепловых колебаний кристаллической решетки). Кпд катодолюминесценции обычно составляет 1-10%. Наибольшую эффективность преобразования энергии (20-25%) имеют некоторые поликристаллические кристаллофосфоры с рекомбинационным механизмом свечения (катодолюминофоры).
После прекращения возбуждения наблюдается послесвечение экрана, длительность которого зависит от характеристик люминофора. Временем послесвечения экрана считают интервал между моментом прекращения электронной бомбардировки и моментом, когда яркость свечения уменьшится до 1% от величины поверхность люминофора начального значения.
Катодолюминесценция широко применяется в технике, особенно в вакуумной электронике. Катодолюминесценцией обусловлено свечение экранов телевизоров, различных осциллографов, электронно-оптических преобразователей и т. д. Явление католюминесценции. положено в основу создания оптических квантовых генераторов, возбуждаемых электронным пучком, на GaAs, CdS, ZnS и др. Катодолюминесценция используется как метод изучения дефектов структуры кристаллов.