We present a method to separate coherent and incoherent contributions to cathodoluminescence from bulk materials by using angle-resolved cathodoluminescence spectroscopy. Using 5 and 30 keV electrons, we measure the cathodoluminescence spectra for Si, GaAs, Al, Ag, Au, and Cu and determine the angular emission distributions for Al, GaAs, and Si. Aluminium shows a clear dipolar radiation profile due to coherent transition radiation, while GaAs shows incoherent luminescence characterized by a Lambertian angular distribution. Silicon shows both transition radiation and incoherent radiation. From the angular data, we determine the ratio between the two processes and decompose their spectra. This method provides a powerful way to separate different radiative cathodoluminescence processes, which is useful for material characterization and in studies of electron- and light-matter interaction in metals and semiconductors.

1.
W.
Crookes
,
Philos. Trans.
170
,
641
(
1879
).
2.
T.
Arabatzis
, in
Compendium of Quantum Physics
, edited by D. Greenberger, K. Hentschel, and F. Weinert (
Springer
,
Berlin Heidelberg
,
2009
), pp.
89
92
.
3.
M.
Pagel
,
V.
Barbin
,
P.
Blanc
, and
D.
Ohnenstetter
,
Cathodoluminescence in Geosciences
(
Springer
,
2000
).
4.
D. J.
Marshall
and
A. N.
Mariano
,
Cathodoluminescence of Geological Materials
(
Unwin Hyman Boston, etc.
,
1988
).
5.
S.
Myhajlenko
,
Luminescence of Solids
, edited by D. R. Vij (
Springer US
,
1998
), pp.
135
188
.
6.
B.
Yacobi
and
D.
Holt
,
J. Appl. Phys.
59
,
R1
(
1986
).
7.
R.
Sauer
,
H.
Sternschulte
,
S.
Wahl
,
K.
Thonke
, and
T. R.
Anthony
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
4172
(
2000
).
8.
S.
Koizumi
,
K.
Watanabe
,
M.
Hasegawa
, and
H.
Kanda
,
Science
292
,
1899
(
2001
).
9.
G.
Li
,
D.
Geng
,
M.
Shang
,
C.
Peng
,
Z.
Cheng
, and
J.
Lin
,
J. Mater. Chem.
21
,
13334
(
2011
).
10.
K.
Thonke
,
I.
Tischer
,
M.
Hocker
,
M.
Schirra
,
K.
Fujan
,
M.
Wiedenmann
,
R.
Schneider
,
M.
Frey
, and
M.
Feneberg
,
IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng.
55
,
012018
(
2014
).
11.
P. R.
Edwards
and
R. W.
Martin
,
Semicond. Sci. Technol.
26
,
064005
(
2011
).
12.
B.
Dierre
,
X.
Yuan
, and
T.
Sekiguchi
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
11
,
043001
(
2010
).
13.
A.
Leto
and
G.
Pezzotti
,
Phys. Status Solidi A
208
,
1119
(
2011
).
14.
M.
Avella
,
J.
Jiménez
,
F.
Pommereau
,
J.
Landesman
, and
A.
Rhallabi
,
Mater. Sci. Eng., B
147
,
136
(
2008
).
15.
C.
Ton-That
,
L.
Weston
, and
M.
Phillips
,
Phys. Rev. B
86
,
115205
(
2012
).
16.
F. A.
Ponce
,
D. P.
Bour
,
W.
Götz
, and
P. J.
Wright
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
57
(
1996
).
17.
H.-J.
Fitting
,
A. N.
Trukhin
,
T.
Barfels
,
B.
Schmidt
, and
A. V.
Czarnowski
,
Radiat. Eff. Defects Solids
157
,
575
(
2002
).
18.
D.
Spirkoska
,
J.
Arbiol
,
A.
Gustafsson
,
S.
Conesa-Boj
,
F.
Glas
,
I.
Zardo
,
M.
Heigoldt
,
M.
Gass
,
A.
Bleloch
,
S.
Estrade
,
M.
Kaniber
,
J.
Rossler
,
F.
Peiro
,
J.
Morante
,
G.
Abstreiter
,
L.
Samuelson
, and
A. Fontcuberta I
Morral
,
Phys. Rev. B
80
,
245325
(
2009
).
19.
L. H. G.
Tizei
and
M.
Kociak
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
153604
(
2013
).
20.
C.-W.
Chen
,
K.-H.
Chen
,
C.-H.
Shen
,
A.
Ganguly
,
L.-C.
Chen
,
J.-J.
Wu
,
H.-I.
Wen
, and
W.-F.
Pong
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
241905
(
2006
).
21.
Z.
Mahfoud
,
A. T.
Dijksman
,
C.
Javaux
,
P.
Bassoul
,
A. L.
Baudrion
,
J.
Plain
,
B.
Dubertret
, and
M.
Kociak
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
4090
(
2013
).
22.
L.
Novotny
and
N. van
Hulst
,
Nat. Photonics
5
,
83
(
2011
).
23.
V.
Myroshnychenko
,
J.
Nelayah
,
G.
Adamo
,
N.
Geuquet
,
J.
Rodríguez-Fernández
,
I.
Pastoriza-Santos
,
K. F.
MacDonald
,
L.
Henrard
,
L. M.
Liz-Marzán
,
N. I.
Zheludev
,
M.
Kociak
, and
F. J. García de
Abajo
,
Nano Lett.
12
,
4172
(
2012
).
24.
M. W.
Knight
,
L.
Liu
,
Y.
Wang
,
L.
Brown
,
S.
Mukherjee
,
N. S.
King
,
H. O.
Everitt
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
Nano Lett.
12
,
6000
(
2012
).
25.
A. I.
Denisyuk
,
G.
Adamo
,
K. F.
MacDonald
,
J.
Edgar
,
M. D.
Arnold
,
V.
Myroshnychenko
,
J.
Ford
,
F. J. García de
Abajo
, and
N. I.
Zheludev
,
Nano Lett.
10
,
3250
(
2010
).
26.
T.
Coenen
,
F. Bernal
Arango
,
A. F.
Koenderink
, and
A.
Polman
,
Nat. Commun.
5
,
3250
(
2014
).
27.
T.
Coenen
,
E. J. R.
Vesseur
,
A.
Polman
, and
A. F.
Koenderink
,
Nano Lett.
11
,
3779
(
2011
).
28.
A.
Kumar
,
K.-H.
Fung
,
J. C.
Mabon
,
E.
Chow
, and
N. X.
Fang
,
J. Vac. Sci. Technol., B
28
,
C6C21
(
2010
).
29.
E. J. R.
Vesseur
and
A.
Polman
,
Nano Lett.
11
,
5524
(
2011
).
30.
X. L.
Zhu
,
J. S.
Ma
,
Y.
Zhang
,
X. F.
Xu
,
J.
Wu
,
Y.
Zhang
,
X. B.
Han
,
Q.
Fu
,
Z. M.
Liao
,
L.
Chen
, and
D. P.
Yu
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
127402
(
2010
).
31.
M.
Kuttge
,
F. J. G. de
Abajo
, and
A.
Polman
,
Opt. Express
17
,
10385
(
2009
).
32.
N.
Yamamoto
,
S.
Bhunia
, and
Y.
Wantanabe
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
153106
(
2006
).
33.
E. J. R.
Vesseur
,
T.
Coenen
,
H.
Caglayan
,
N.
Engheta
, and
A.
Polman
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
013902
(
2013
).
34.
A. C.
Narváez
,
I. G. C.
Weppelman
,
R. J.
Moerland
,
N.
Liv
,
A. C.
Zonnevylle
,
P.
Kruit
, and
J. P.
Hoogenboom
,
Opt. Express
21
,
29968
(
2013
).
35.
R.
Sapienza
,
T.
Coenen
,
J.
Renger
,
M.
Kuttge
,
N. F. van
Hulst
, and
A.
Polman
,
Nature Mater.
11
,
781
(
2012
).
36.
T.
Suzuki
and
N.
Yamamoto
,
Opt. Express
17
,
23664
(
2009
).
37.
K.
Takeuchi
and
N.
Yamamoto
,
Opt. Express
19
,
12365
(
2011
).
38.
F. J. García de
Abajo
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
209
(
2010
).
39.
E. D.
Palik
,
Handbook of Optical Constants
(
Academic Press
,
New York
,
1985
).
40.
P. B.
Johnson
and
R. W.
Christy
,
Phys. Rev. B
6
,
4370
4379
(
1972
).
41.
T.
Coenen
,
E. J. R.
Vesseur
, and
A.
Polman
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
143103
(
2011
).
42.
M.
Kuttge
,
E. J. R.
Vesseur
,
A. F.
Koenderink
,
H. J.
Lezec
,
H. A.
Atwater
,
F. J. García de
Abajo
, and
A.
Polman
,
Phys. Rev. B
79
,
113405
(
2009
).
43.
T. E.
Everhart
and
P. H.
Hoff
,
J. Appl. Phys.
42
,
5837
(
1971
).
44.
C. A.
Klein
,
J. Appl. Phys.
39
,
2029
(
1968
).
45.
E. F.
Schubert
,
Light Emitting Diodes
, 2nd ed. (
Cambridge University press
,
2006
).
46.
N. M.
Haegel
,
T. J.
Mills
,
M.
Talmadge
,
C.
Scandrett
,
C. L.
Frenzen
,
H.
Yoon
,
C. M.
Fetzer
, and
R. R.
King
,
J. Appl. Phys.
105
,
023711
(
2009
).
47.
N.
Yamamoto
,
A.
Toda
, and
K.
Araya
,
J. Electron Microsc.
45
,
64
(
1996
).
48.
D.
Drouin
,
A. R.
Couture
,
D.
Joly
,
X.
Tastet
,
V.
Aimez
, and
R.
Gauvin
,
Scanning
29
,
92
(
2007
).
49.
You do not currently have access to this content.