Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время, исследование низковольтной катодолюминесценции представляет интерес, как с позиций фундаментальных положений физики конденсированного состояния, так и с прикладной точки зрения, связанной с необходимостью разработки средств отображения информации, работающих при низких напряжениям.
Изучение природы физических процессов в низковольтных катодолюминофорах, в силу специфики структуры и особенностей их физических свойств, непосредственно связано с технологией создания высокоэффективных катодолюминофоров для нового поколения плоскопанельных дисплеев, основанных на явлении полевой эмиссии электронов.
Внедрение полноцветных ДПЭ ограничивается недостаточной эффективностью люминесцентных материалов при возбуждении электронами низких энергий. Это связано с тем, что благоприятное сочетание необходимых свойств, а именно: способность к катодолюминесценции и низкое удельное сопротивление, имеется у очень ограниченного числа веществ. В 1996 году к числу таких соединений был отнесен активированный празеодимом титанат стронция. Оказалось, что при введении в его состав алюминия, этот изначально неэффективный люминофор может приобретать все свойства, необходимые низковольтным катодолюминофорам. К настоящему времени функция алюминия полностью не определена, так как его концентрация, соответствующая максимальной светоотдаче, необъяснимо высока.
Поэтому изучение строения центров свечения, механизмов поглощения и передачи энергии в системе БгТіОз.'Рг т, АІ, особенно при низковольтном катодном возбуждении, - представляет большой интерес для исследований в области физики конденсированного состояния.
Цель работы:
-
Установить физическую природу центров свечения и явлений, ответственных за процессы передачи энергии в системе SrTiOy.Pr , АІ.
-
Построить физические модели, применимые к низковольтной катодолюминесценции (НВКЛ).
-
Выяснить влияние рецептурно-технологических параметров и физико-химических факторов на состояние кристаллической структуры, механизмы передачи энергии центрам свечения и люминесцентные свойства исследуемой системы.
-
Практически применить разработанные физические модели в технологии НВК люминофора.
Для достижения цели решались следующие задачи:
ггпг~*-ітгг гт нрхрдн ШМИОТСКДі j
-
Исследование механизма формирования структуры метатитаната стронция в присутствии и без алюминия.
-
Изучение зависимости этических ггіціт rji гтт пт ff^f|n""r" химического состава и условий синтеза SrTi03-P J
-
Исследование зависимости вероятностей внутренних 4J переходов в ионе Рг3* от условий и вида возбуждения.
-
Расчет влияния кристаллического окружения на положение конфигурационных кривых в Рг3* и разработка схемы расположения энергетических уровней и строения центра свечения.
-
Определение технологических факторов, влияющих на механизмы передачи энергии к центрам свечения при НВК возбуждении.
-
Синтез экспериментальных обращов, обладающих высокой эффективностью НВКЛ.
Научная новизна:
-
Впервые установлена роль алюминия в процессе формирования совершенной структуры метатитаната стронция, которая заключается в связывании шбыточного в процессе синтеза оксида стронция в алюминаты и дальнейшее эффективное их растворение в решетке метатитаната.
-
Установлено, что основной переход 1Dr-^3H4 (617 нм) эффективен только при во5буждении в основу О 2р -»7i 3dt2g.
-
С привлечением методов ТСЛ и термотушения доказано, что нейтральный дефект PrSrMeT, является основным центром свечения, отвечающим за излучение в полосу 617 нм, а одной из причин низкой эффективности нелегированного акцепторной примесью SrTiOsPr3* является высокая диэлектрическая проницаемость, затрудняющая формирование нейтрального ассоциированного центра Ti3*-Pr3*.
-
Определена существенная роль вакансий кислорода Уо", наличие которых приводит к уменьшению межатомных расстояний, что изменяет вероятности 4/ переходов Рг3* в пользу 'D2~*3H4 (617 нм) Построены модели потенциальных кривых для внутренних оболочек Рг3* в матрице SrTi03, отображающие воздействие кристаллического окружения.
-
Выявлены механизмы передачи энергии центрам свечения для легированного и нелегированного алюминием титаната стронция. Предложены соответствующие энергетические диаграммы строения уровней в запрещенной зоне SrTiO}, иллюстрирующие положение центров свечения и ряда примесных и собственных дефектов.
-
Впервые показана корреляция интенсивности НВКЛ SrTiOyPr3*, А1 и размера области когерентного рассеяния (ОКР) в зависимости от температуры синтеза. Определен оптимальный размер микроблоков ~ 270 нм и показано, что при высокотемпературном синтезе также изменяется толщина межблочных границ.
Практическая значимость:
1. Установлено, что факторами, повышающими эффективность НВКЛ системы SrTiOyPr3*. Al являются: образование нейтральных ассоциированных центров свечения (Рг5,М?ті), уменьшение концентрации плоских дефектов в виде слоев SrO и межблочных границ, формирование подзоны neper оса заряда дополнительным числом вакансий кислорода.
2 Созданы физические модели люминофоров SrTiOj Рг3* и БгТЮз'Рг3*, At, отображающие основные каналы передачи энергии от основы иону празеодима, а также предложена модель влияния кристаллического окружения на метастабильность 4f состояний Рг3*.
-
На основании построенных моделей выработаны рекомендации по оптимизации химического состава, режима термообработки и состава газовой среды в процессе изготовления НВК люминофора SrTiOj Pr1*, А1
-
Синтезированы образцы люминофора SrTiOj Pr3*, А1, обладающие уникальной чистотой красного цвета Х= 0 690 и У = 0 310 и яркостью КЛ более 500 Кд/м2 в режиме возбуждения, характерном для ДПЭ (Ua = 300 В, у = 100 мкА/см", скважность 240) По своей эффективности, образцы более чем в 2 раза превосходят зарубежный аналог, а также применяемый в настоящее время в плоских дисплеях с полевой эмиссией электронов Y&S Ей1*
На защиту выносится:
1. Природа и строение центра свечения, в состав которого входит PrSr' и Мет,', а также механизм передачи энергии при поглощении основой 02p->Ti3dt2g
-
Модель потенциальных кривых, отображающая влияние кристаллического поля на интерконфигурационные 4f '5d -* if переходы ионов Pi**, занимающих две различные кристаллографические позиции в метатитанате стронция.
-
Механизм влияния алюминия на совершенство структуры SrTi03, согласно которому осуществляется снятие характерных упругих внутренних напряжений решетки, вызывающих отклонения от кубической симметрии и формирование дефектных плоскостей SrO.
-
Функция кислородных вакансий, концентрацией которых возможно регулировать вероятности 4f переходов в ионе Рг1* и эффективность переноса возбуждающей энергии к центрам свечения.
-
Оптимальный для высокоэффективной НВКЛ размер ОКР, равный ~270 нм и условия термообработки, его обеспечивающие.
6 Физическая модель эффеет ивного НВК люминофора SrTtOj Pr**, А1 и условия его образования.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены дважды на международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2002 и 2004), на региональной научно-те<ническоЙ конференции "Вузовская наука -Северо-Кавказскому региону" (Ставрополь, 2002), на ХХХШ научно-технической конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов (Ставрополь, 2003).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 5 работах, в том числе. 1 статье и 5 тезисах докладов.
Личный вклад автора: Автором синтезированы все исследуемые образцы, измерены их люминесцентные характеристики при фотэ и катодном возбуждении, проведена обработка всех результатов исследований и перевод
зарубежной литературы. В соответствии с предложенными соруководителем идеями, произведено согласование экспериментальных данных, их обсуждение к построение моделей.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 146 страницах текста, иллюстрируется 38 рисунками и 4 таблицами, состоит из введения, 5 глав, выводов и списка цитируемой литературы из 161 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
