Введение к работе
Актуальность темы.
Лед- одно из простейших молекулярных твердых веществ с водородной связью широко распространенное на Земле и в космосе. Действительно, ледники занимают Их земной поверхности, а снег 14х суши. Несмотря на активные исследования свойств льда, многие из них до сих пор остаются малоизученными. Это относится, например, к природе квазижидкого слоя, открытого еще Фарадеєм, к природе свехпластичности льда, к механизму пероноса заряда во льде и т.д. Во многом остаются малоизученными оптические и электрические свойства льда. Как правило это связано с отсутствием специально разработанных и неприменкмостыо стандартных методик, применяемых для большинства твердых тел.
Лед нельзя отнести к чисто упорядоченным структурам, обладающими трансляционной симметрией <к кристаллам), ввиду того,, что протонная подсистема льда разупорядочена. Поэтому, при изучении электронных свойств льда к нему нельзя применять стандартную зонную модель. С другой стороны, лед нельзя рассматривать и как чисто аморфное вещество, тек как кислородная подсистема в нем упорядочена. Это проявляется, например, в двулучепреломлении или в огранке монокристаллов И).
С точки зрения электронной проводимости лед следовало бы отнести к диэлектрикам <Egap"I0.9 эв [2]). Однако, при такой ширине запрещенной зоны лед обладает аномально высокой электропроводностью сг« 10 ом -м при Т= -10С, которая обусловлена движением дефектов в протонной подсистеме: HgQ , ОН" ионов и d- и L- дефектов [з]. Так как энергия, необходимая для образования пары ионов, составляет 0.96 эв, то лед относят к ітротонннм полупроводникам.
Дефектами протонной подсистемы во многом определяются не только электрические свойства (дисперсии электропроводности и диэлектрической проницаемости льда), но и механические (пластическая деформация 14]), пьезоэлектрические (псевдопьезозффект 15]) и поверхностные свойства [61. Поэтому нахождение способа обратимого изменения концентраций данных дефектов может дать мощный метод для изучения вышеперечисленных свойств. Одна из возможностей- это управление концентрациями дефектов с помощью света. Поискам подобных фотопроцессов, в частности поискам протонной фотопроводимости чистого льда, были посвящены многие попытки, но до сих пор были они были
безуспешными [7,8].
Целью данной работы является I) обнаружение и исследование протонной фотопроводимости льда ih, 2) изучение влияния легирования льда кислотой или щелочью на характер фотопроводимости, 3) исследование фотолюминисценщш льда в диапазоне 180- 300 нм.
Научная новизна. . I.Обнаружена протонная фотопроводимость чистого льда, возбуждаемая светом с энергией квантов ы>* 6.5 эв. 2.Исследовано влияние легирования льда щелочами и кислотами на характеристики фотопроводимости.
3.Изучена люминесценция льда в диапазоне 180- 300 нм. Обнаружен дополнительный пик возбуждения при 193 нм. 4.Изучена термолюминесценция льда, возбуждаемая светом. 5.Разработан новый метод роста монокристаллов чистого и легированного льда.
6.Обнаружен пороговый характер образования перекиси водорода f^Og во льду в процессе облучения светом, возбуждающим
фотопроводимость.
7.Обнаружен процесс внутренней фотоионизации льда при hv* 6.S зв
через реакцию " автоионизации".
Научная и практическая ценность работы.
Изучение процессов фотопроводимости и фотолюминисценции позволяет продвинуться в понимании электронного спектра льда, взаимодействия электронной и протонной подсистем, а также механизма влияния протонной подсистемы на различные физические свойства льда- неупругая релаксация, псевдопьезоэффект, поверхностные свойства льда и др.
В работе показано, что во льду, как и в воде, при энергиях света h»>e 6.5 эв возможно образование й накопление сольватированных электронов. Ранее сольватированные электроны во льду получали только с помощью высокоэнергетических излучений.
Исследование тврмолюмишсценции льда, возбуждаемой светом, позволит определить характеристики ловушек без радиационного разрушения.
Новый способ роста монокристаллов льда позволяет получать кристаллы за времена » 10 минут и с аномально высокими концентрациями примесей - Ї0 моль/л. Это расширяет возможности изучения влияние высокой степени легирования на различные физические свойства монокристаллов льда. Например, при исследовании фазового перехода льда ih -» xi.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы обсуждались и докладывались на vii и viii Международных симпозиумах по физике и химии льда в Гренобле в 1987 и в Саппоро в 1991 годах, на Международной конференции по физике полупроводников в Варшаве в 1988 году, на Всесоюзной конференции по физике криокристаллов в Красном Лимане
В 1991 году.
Публикации. Основные результаты, положенные в основу диссертационной работы, опубликованы в 5 статьях, в 4 тезисах 2 конференция, в двух препринтах и в одном авторском свидетельстве.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Обший объем диссертации составляет 141 страниц, включая рисунка и список литературы на 142 библиографических наименований.