Введение к работе
Актуальность темы Важным направлением физики конденсированного состояния является исследования природы и свойств дефектов кристаллической структуры и элементарных возбуждений широкозонных оксидных материалов Такие материалы находят широкое применение в оптике, электронике, лазерной технике, дозиметрии и других областях в качестве активных сред, люминофоров, сцинтиляторов и детекторов излучений Вместе с тем многие вопросы, касающиеся закономерностей дефек-тообразования, механизмов релаксации в облученных оксидных материалах требуют детального изучения в каждом конкретном случае
До настоящего времени точечные дефекты и электронные возбуждения интенсивно исследовались в простых оксидах (ВеО, MgO, АІ2О3, S1O2) Несмотря на это, многие фундаментальные вопросы в этой области остаются нерешенными Проблема еще более усложняется в случае поликомпонентных соединений, имеющих, как правило, несколько типов атомных подрешеток с достаточно низкой симметрией Наличие в кристаллической решетке нескольких сортов атомов с разнотипными химическими связями, более сложная структура энергетических зон и другие особенности, характерные для сложных соединений, обеспечивают разнообразие типов структурных дефектов и собственных электронных возбуждений, вследствие чего усложняется идентификация и анализ их физической природы и механизмов возбуждения-релаксации Перечисленные факторы определяют необходимость детального изучения модельных объектов, простейшим примером которых являются бинарные широкозонные оксидные кристаллы типа А2ВО4 (A = Be, Zn, Mg, Са, St, Ва, В = Si, Ge)
В этом отношении определенный интерес представляет изучение кристаллов со структурой фенакита (точечная группа С2Э,) Родоначальником класса является ортосиликат бериллия Be2Si04 К данному классу относятся также другие сложные оксиды типа ортосиликатов, ортогермана-тов, ортофосфатов и ортованадатов и твердые растворы на их основе Соединения со структурой фенакита обладают весьма интересными оптическими, радиационными, термическими и другими полезными свойствами К настоящему моменту такие материалы используются как люминофоры, а также рассматриваются в качестве новых лазерных кристаллов и нано-размерных систем
Главная особенность атомного строения кристаллов указанного класса заключается в том, что 3-координированные атомы кислородной подре-шетки имеют в ближнем окружении два атома Be и один атом Si В свою очередь, атомы бериллия и кремния (или другие атомы, занимающие их позиции в кристаллохимических аналогах фенакита) всегда находятся в тетраэдрической координации по кислороду Таким образом, кристаллы фенакита Be2Si04 можно рассматривать как модельный объект при изуче-
ний природы энергетической структуры, свойств точечных дефектов и электронных возбуждений в сложных оксидах С другой стороны, подобная информация имеет важное значение и для практического применения кристаллов фенакита
Цель настоящей работы - изучение природы и закономерностей образования радиационных дефектов и электронных возбуждений в кристаллах со структурой фенакита
Научная новизна Изучено влияние воздействия пучков электронов и нейтронов на оптические и люминесцентные свойства кристаллов со структурой фенакита (Be2SiC>4, Be2GeC>4, Zn2Si04 и твердых растворов Be2(Sii_xGex)04, (Be2-xZnx)Si04) Впервые получены следующие результаты
Методами люминесцентной и абсорбционной спектроскопией с временным разрешением получен комплекс экспериментальных данных, позволяющих установить, структуру как собственных электронных возбуждений (ЭВ), так и дефектов в кристаллах со структурой фенакита
Первопринцишшм полнопотенциальным методом присоединенных плоских волн выполнен расчет зонной структуры и проведен анализ межзонных оптических переходов в кристалле ВегвіО^
Предложен двухканальный механизм автолокализации экситонов на [Si04]- и [Ве04]-тетраэдрах кристалла Be2SiC>4.
В нейтронно-облученных кристаллах Be2Si04 обнаружены центры люминесценции, обусловленные дефектами структуры в виде диамагнитных дивакансий кислорода
В нейтронно-облученных кристаллах Be2GeC>4 исследована энергетическая структура и электронно-колебательные взаимодействия молекулярного дефекта 02~
Научная и практическая значимость работы определяется совокупностью полученных в диссертационной работе результатов Выполненные исследования вносят вклад в понимание процессов создания и релаксации ЭВ в соединениях со структурой фенакита Полученные результаты и представления о процессах радиационного дефектообразования в кристаллах Be2SiC>4 создают основу для разработки радиационно-стойких люминофоров и оптических электронных приборов, подвергающихся воздействию радиационных полей Создана экспериментальная установка для исследования быстропротекающих процессов в твердых телах на базе вакуумного монохроматора
Автор защищает
Интерпретацию природы центров люминесценции, их кинетических параметров и каналов передачи энергии возбуждающего излучения в Be2Si04, Be2GeC>4
Механизмы релаксации электронных возбуждений при изоморфных замещениях в кремнийкислородных и берилийкислородных состав-
ляющих твердых растворов Be2(Sij xGex)C>4 и (Be2_xZnx)SiC>4
Результаты анализа зонной структуры и межзонных оптических переходов с участием электронных состояний атомов кислорода в Be2SiC>4
Двухканальный механизм релаксации кислородных экситонов на локальных фрагментах атомной структуры Be2Si04
Результаты экспериментального исследования дефектов и их природы в нейтронно-облученных кристаллах Be2Si04 и Be2GeC>4
7 Модель энергетической структуры и особенности электронно-
колебательных взаимодействий молекулярного дефекта 0{~ в кристалле
Be2Ge04
Личный вклад автора Постановка задачи и определение направлений исследования были проведены автором совместно с научным руководителем и научным консультантом Расчеты энергетического строения кристалла Be2SiC>4 проведены совместно с И Р Шейным Рентгеноскопические измерения были получены на источнике синхротронного излучения ALS (Advanced Light Source) в Беркли (США) научной группой Э 3 Курмаева Измерения методом люминесцентной ВУФ-спектроскопии с применением синхротронного излучения проведены в лаборатории HASYLAB (DESY, Гамбург) В А Пустоваровым Измерения спектров ко-роткоживущего поглощения и импульсной катодолюминесценции в диапазоне 2 - 5 эВ проведены совместно с В Я Яковлевым Автор внес определяющий вклад в создание экспериментальной установки, на базе которой проведены люминесцентные исследования, и в планирование совместных экспериментов, обработку, анализ, интерпретацию полученных данных Обобщение результатов диссертационного исследования, формулировка выводов и защищаемых положений принадлежат лично автору
Апробация работы Результаты и выводы диссертации опубликованы в 7 работах и представлены на VIII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2005), 12-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-12 (Новосибирск, 2006), 6-ой европейской конференции Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation LUMDETR-2006 (Львов, 2006), 13-ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических соединений 13-RPC в рамках П международного конгресса по радиационной физике, сильноточной электронике и модификации материалов (Томск, 2006), международной научной конференции Spectroscopy and Crystal Chemistry of Minerals SCCM-2007 (Екатеринбург, 2007)
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 168 страниц машинописного текста и содержит 10 таблиц, 66 рисунков и библиографический список из 145 наименований
