Введение к работе
Актуальность темы. Задачи современного развития радиационной техники, твердотельной микроэлектроники, ядерной энергетики связаны с задачами радиационной физики твердого тела, в частности, с исследованием и разработкой новых радиационно стойких оптических материалов для ультрафиолетового (УФ) и вакуумного УФ (ВУФ) диапазонов. Широкозонные оксидные кристаллы второй и третьей групп периодической таблицы обладают прозрачностью в широкой области спектра (в том числе УФ и ВУФ), высокой радиациошю-оптической устойчивостью и удовлетворяют этим требованиям. Поэтому изучение физических процессов, протекающих в оксидных диэлектриках, находящихся в радиационных полях, является актуальной задачей.
Среди оксидов II и III групп особое место занимает оксид бериллия. ВеО—единственный представитель этой группы кристаллов, имеющий структуру пторцита и наибольшее значение ширины запрещенной зоны (Eg). Высокая, сравнимая с металлами, теплопроводность, повышенная механическая, термическая, радиационная и химическая стойкость, пьезо- и пиросвойства, эффективные ядерные свойства обеспечивают использование оксида бериллия в различных областях науки и техники. В частности, известно, что ВеО применяется как рабочее вещество для тканеэквивалентиых дозиметров, кристаллический ВУФ-излучатель, оптический материал в ВУФ-области спектра, перспективен для применения в оптоакустике, сщштилляци-онной технике и микроэлектронике.
Целенаправленное повышение радиационной стойкости и чувствительности материалов, улучшение их оптических, сцинтилляцион-ных и дозиметрических свойств невозможно без изучения структуры электронных возбуждений (ЭВ), особенностей процессов создания ЭВ и их динамики, а также влияния ЭВ на процессы дефектообра-зования в них. С другой стороны, ЭВ и их связь с наличием примесей и дефектов решетки, достаточно полно изученные в модельных
щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК), остаются во многом неясными и противоречивыми для широкощелевых оксидов. В частности, такая важная проблема, как возможность и конкретные формы автолокализации ЭВ в регулярных узлах решетки—явления, лежащего в основе подпорогового дефектообразования в ЩГК—в оксидах, до настоящего времени окончательно не выяснена.
Результаты диссертационной работы получены при выполнении госбюджетной темы Уральского государственного технического университета (УГТУ-УПИ им. С.М.Кирова) "Исследование радиационно-стимулироваиных явлений в материалах для детекторной и силовой оптики" (ЛГ 03650, Af Г.р. 01910025322), которая включена в координационный план РАН (1991-1996) по направлению "Физика твердого тела".
Цель настоящей работы. Исследовать энергетическую структуру, процессы создания, миграции, трансформации и распада автолокализованных ЭВ. Установить природу полос собственной люминесценции и транзитного оптического поглощения (ТОП) оксида бериллия, развить структурные и энергетические модели автолокализованных экситонов (АЛЭ) и дырок (АЛД) в ВеО, а также их влияние на де-фектообразование.
Данная цель достигалась путем использования техники спектрально-кинетического, поляризационного анализа и методов люминесцентной и абсорбционной спектроскопии с временным разрешением с привлечением техники синхротронного излучения (СИ) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Научная новизна. 1. Экспериментально подтверждена гипотеза о сосуществовании двух типов АЛЭ (АЛЗі и АЛЭг) в ВеО. Обнаружены и интерпретированы две пары быстро и медленно затухающих собственных свечений, обусловленных излучательной аннигиляцией синглетных и триплетных АЛЭ в двух неэквивалентных конфигурациях. На основе определения ориентации излучателей подтверждена связь двух типов АЛЭ с аксиальными и экваториальными положениями ионов О2- в гексагональной структуре ВеО.
-
Впервые исследованы эффекты каскадного возбуждения ВеО двумя смещенными по времени электронным и лазерным импульсами. Установлены каналы излучательной и безызлучательной релаксации из оптически возбужденного триплетного состояния АЛЭ. Доказано существование термически активированных безызлучательных переходов между триплетными возбужденными состояниями АЛЭ. Методом люминесцентного анализа впервые экспериментально обнаружен инверсный порядок следования синглетпых и триплегных уровней АЛЭ по сравнению с ЩГК.
-
Исследовано короткоживущее поглощение в кристаллах ВеО. Впервые найдены экспериментальные проявления АЛД в ВеО, установлен механизм их релаксации и области туннельного и термоактивированного движения. Обнаружено и исследовано транзитное оптическое поглощение АЛЭг- Установлена природа полос короткоживущего поглощения. Показано, что полосы поглощения при Е >2 эВ обусловлены оптическими переходами в дырочных компонентах двух типов АЛЭ и АЛД, а длинноволновая полоса при 1.7 эВ обусловлена переходами в электронном компоненте АЛЭ.
-
Подтверждена модель дырочного ядра АЛЭ и АЛД в виде поля-рона малого радиуса типа О-—иона. На основе поляронной модели объяснены наблюдаемые особенности в спектрах короткоживущего поглощения АЛЭ и АЛД, а также термо- и фотостимулировапныс переходы между триплетными состояниями двух типов АЛЭ. Полоса поглощения электронного компонента АЛЭ связана с "запрещенными" оптическими переходами, обусловленными спецификой состояний дна зоны проводимости ВеО.
-
Обнаружено и исследовано короткоживущее поглощение в кристаллах ВеО, легированных ii30-(Zn2+) и гетеровалентными (В3+) примесями. Показано, что н кристаллах ВеО—Zn наблюдается оптическое поглощение, обусловленное релаксацией связанных с Zn2+ экситонов малого радиуса, дырочная структура которых подобна дырочному ядру АЛЗі. Уменьшение времени жизни АЛД в ВеО—В подтверждает гипотезу о туннельной миграции АЛД при низких температурах.
Автор защищает: 1. Интерпретацию быстрых и медленных полос люминесценции в кристаллах ВеО как обусловленную излучательной аннигиляцией двух типов АЛЭ, каждый из которых может находиться как в триплетном, так и в синглетном состояниях.
-
Природу полос короткоживущего оптического поглощения в ВеО, основная часть которого формируется АЛ ЭВ, а также предложенный механизм релаксации АЛД в ВеО.
-
Структурные и энергетические модели двух типов АЛЭ в ВеО, а также механизмы фото- и термостимулированных переходов между триплетными состояниями двух типов АЛЭ.
Практическая ценность работы. 1. Модели, структура и динамика процессов автолокализации ЭВ в оксиде бериллия могут быть использованы для прогнозирования вторичных релаксационных процессов (дефектообразования, светозапасания, сцинтилляций и т.п.) 2. Экспериментальные результаты по импульсной люминесценции и наведенному оптическому поглощению кристаллов ВеО могут быть использованы для создания импульсных твердотельных излучателей поляризованного света в диапазоне 3.5—7.5 эВ и радиационно стойких оптических элементов в диапазоне 1—5 эВ.
Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертации опубликованы в 13 работах и представлены на IV Международной конференции по синхротронной технике (Честер, Англия, 1991 г.), VII Еврофизической конференции по дефектам в изолирующих материалах "EURODIM'94" (Лион, Франция, 1994 г.), Международной конференции по неорганическим сцинтилляторам и их применению "SCINT'95" (Дельфт, Нидерланды, 1995 г.), Уральском совещании по сцинтилляционным материалам и их применению "SCINTMAT'96" (Заречный, Россия, 1996 г.), 9-й Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов РФХ-9 (Томск, Россия, 1996 г.), 13-й Международной конференции по дефектам в изолирующих материалах "ICDIM'96" (Винстон-Салем, Северная Каролина, США, 1996 г.), Международной конференции но люминесценции и оптической спектроскопии твердых тел "ICL'96" (Прага,
Чехия, 1996 г.), 11-й Международной конференции по динамическим процессам в возбужденных состояниях твердых тел (Апартхотель, Миттельберг, Кляйнвалсерталь, Австрия/Германия, 1997 г.).
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, включает 38 рисунков, 4 таблицы и библиографический список из 150 наименований.
Похожие диссертации на Автолокализованные электронные возбуждения в кристаллах оксида бериллия
