Электронно-колебательная структура оптических центров активированных кристаллов Благодырь, Марина Александровна

Введение к работе

Актуальность темы.

Кристаллы, активированные ионами переходных металлов, привлекательны для создания твердотельных лазеров на их основе ввиду возможности получения перестраиваемой генерации в широком спектральном диапазоне. Существование таких лазеров стимулирует интерес к изучению спектроскопических свойств примесных Зсі-ионов в кристаллических матрицах.

Одними из перспективных лазерных материалов являются оксиды, в частности, алюминаты, легированные ионами титана, хрома, ванадия, никеля. Привлекательность этих материалов объясняется высокими теплофизическими характеристиками и относительной простотой технологии получения монокристаллов.

Вторым интересным классом кристаллов, легированных Зсі-ионами, являются халькогенидные соединения типа A^!1B^VI, A^IB^IIIC2^V!, A^!IB2^I!,C4^VI. Их особенностью является наличие только тетраэдрических катионных позиций, прозрачностью вплоть до 15-18 мкм, отсутствие высокочастотных фононов, ответственных за внутрицентровые безызлучательные переходы. Эти факторы позволяют создавать оптически активные центры, эффективно излучающие в среднем ИК - диапазоне.

Трудности ростового эксперимента при создании лазерных люминофоров приводят к необходимости предварительного расчета спектральных характеристик примесных центров. При этом проблема заключается в отсутствии удовлетворительной теории, позволяющей по известной структуре кристаллов рассчитывать структуру энергетических уровней примесных ионов и их спектрально-люминесцентные свойства. Поэтому исследование спектроскопических свойств За-ионов в кристаллических матрицах является актуальной задачей.

К числу наиболее интересных активных ионов относится Ti³⁺. Лазер на основе АІ_г0₃:Ті³* с перестройкой генерации при 300 К в интервале длин волн от 0.718 до 0.770 мкм (канал *Е-+²Т_г ) лишен такого недостатка, как взаимодействие

4 возбужденных лазерных уровней. У ионов Г/'³* в области оптической прозрачности матрицы А1₂0₃ ( 0.14-6.5 мкм ) кроме полосы переноса заряда { 55 000 см "' ) имеется только одна достаточно широкая двугорбая полоса поглощения, соответствующая переходу ²7"₂-»² . Хорошо также известно, что монокристаллы Л/jOj обладают замечательными теплопроводными и механическими характеристиками и могут быть выращены на современном этапе ростового эксперимента существенно больших размеров, чем александрит, изумруд и гранаты. Применение лазерной накачки позволяет расширить диапазон перестройки Ті²" в А1₂О_у от 0.68 до 0.93 мкм. В теоретическом плане Ті³⁺ (3d¹- система) является наиболее простым объектом для отработки идей и моделей, описывающих примесные Зс!-ионы.

Расчет спектральных характеристик примесных центров, формируемых в кристаллах ионами переходных металлов группы железа, является сложной задачей. До настоящего времени решалась обратная задача : по экспериментально полученному контуру подгонкой параметров находили интегральные характеристики оптических центров, такие как излучательные времена, сечения переходов, дипояьный момент, который для всего контура принимался равным константе.

Несомненный интерес вызывает прямая задача: по известной микроскопической структуре центра ( окружения, характера взаимодействия ) и динамике рассчитать положение штарковских подуровней примесного иона и построить полосу оптических переходов.

Цель работы.

Цель данной работы заключается в разработке методов расчета электронно-колебательной структуры оптических центров активированных кристаллов и апробации методики на примере ионов группы железа в корунде и кристаллах тройных алмазоподобных полупроводников.

5 На защиту выносятся;

1. Полученные аналитические выражения для компонентов эффективного дипольного момента как функции параметров нечетного кристаллического поля на примере ЗсІ-ионов.

2. Разработанная методика расчета вероятностей электродипольньтх переходов и сечений переходов для любой конфигурации кристаллического окружения примесного 3d-HOHa. Полученный контур поглощения и рассчитанные сечения переходов на примере 3d'-HOHOB в октаэдрическом окружении.

3. Предложенный способ учета обменных эффектов при взаимодействии примесных ионов с лигандами в рамках модели точечных зарядов. Разработанная методика расчета эффективного заряда. Результаты применения предложенного подхода для расчета энергетических уровней 3d¹-ионов в тетраэдрическом окружении.

4. Разработанная методика моделирования динамического кристаллического поля, позволяющая получить характер и величину расщепления вырожденных энергетических состояний примесного иона, частоту его локальных колебаний и другие характеристики.

Практическая ценность.

Разработанная и протестированная на примере октаэдрически координированного Ті методика расчета вероятностей электродипольных переходов позволяет правильно описать структуру и форму электронно-колебательных полос поглощения и исследовать закономерности их формирования, а также рассчитать сечения переходов, связывающих любые два энергетические состояния оптического центра. Последнее обстоятельство принципиально для расчета спектров поглощения из возбужденных состояний в связи с огромными трудностями их экспериментального измерения.

Дополнение расчетной схемы модели точечных зарядов методикой вычисления эффективного заряда г,фф липшдов позволяет учесть обменные эффекты более простым способом. Уровни энергии Ті³* в кристаллах AgGaS2 и AgGaSe2, рассчитанные по предложенной методике, удовлетворительно совпадают с экспериментом. Полученная величина Z-^^, может быть использована для расчета спектров 3d'-HOHOB (Ti³⁺, V⁴⁺ и т. д.) в тетраэдрической позиции другах кристаллических халькогенидов. Впияние вида катионов на струхтуру

энергетических уровней проявляется через зависимость энергии уровней от параметров кристаллической решетки, а влияние локального искажения окружения примесного иона может быть учтено понижением симметрии окружения.

Предложенная методика моделирования динамического кристаллического поля обладает достаточной степенью общности и может быть применена для расчета динамики поля произвольной симметрии.

Научная новизна.

5. Для 3(і-ионов впервые получены аналитические выражения для компонентов эффективного дипольного момента как функции параметров нечетного кристаллического поля.

6. Произведен расчет зависимости вероятности переходов между штарковскими подуровнями ионов группы железа от мгновенных положений атомов решетки на примере трехвалентного титана в корунде.

7. Предложен способ учета обменных эффектов при взаимодействии примесных ионов с лигандами в рамках модели точечных зарядов. Разработана методика расчета эффективного заряда.

8. Рассчитана штарковская структура энергетических уровней ионов группы железа в кристаллах халькогенидов.

9. Предложен метод моделирования динамического кристаллического поля.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в печатных работах. Результаты диссертации докладывались на семинарах кафедры экспериментальной физики и семинарах физико-технического факультета Кубанского государственного университета, вошли в материалы 3-й международной школы «Возбужденные состояния переходных элементов» (Полына-1994), в материалы Международных конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Lomonosov' 99» и «Lomonosov' 2000» (Москва-1999, Москва-2000). Публикации.

Основные результаты диссертационной работы изложены в публикациях.

7 Личный вклад автора.

Личный вклад автора заключается в разработке методов расчета электронно-колебательной структуры оптических центров активированных кристаллов, участии в обсуждении и объяснении экспериментов по спектроскопии лазерных кристаллов, написании статей и докладов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, If приложений, списка цитированной литературы, содержащей 5# наименований. Работа содержит 63 страниц машинописного текста, в том числе І0 рисунка и Ц таблицы.