Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
I. НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ИОННЫХ КРИСТАЛЛАХ 12
1.1 Создание элементарных возбуждений при воздействии на диэлектрик высокоэнергетического излучения 2
1.2 Механизмы собственной ионных кристаллов 16
1.3 Механизмы возбуждения примесного свечения
1.4 Проводимость ионных диэлектриков 22
1.4.1 Неравновесная проводимость диэлектриков при высокоэнергетическом возбуждении 24
1.4.2 Повышенность свободных носителей в диэлектрических кристаллах
1.4.3 Свойства релаксированных и нерелаксированных носителей в ЩІК 2.1
1.5 Радиационное дефектообразование в системах с автолокализутощимися и неавтолокализутощимися экситонами 2)1
1.6 Физические свойства исследованных соединений Ъ5
1.6.1 Электронные свойства Kbi 2 5
1.6.2 Оптические свойства MQO 59
1.6.3 Электропроводность МоО 43
1.6.4 Люминесценция и электропроводность чистых и активированных редкоземельными ионами монокристаллов СУ 6 47
1.6.5 Фотопроводимость и люминесценция 50
1.7 Постановка задачи
2 МЕТОДИКА ЗКСІІЕРЖЇЕНТА 56
2.1 Способы регистрации неравновесной проводимости 56
2.2 Экспериментальная установка для исследования неравновесной проводимости и люминесценции широкозонных материалов при импульсном рентгеновском возбуждении
2.2.1 Генератор рентгеновских импульсов прямоугольной формы 60
2.2.2 Азотный криостат и вакуумная система 61
2.2.3 Схема регистрации спектров и кинетики люминесценции 62
2.2.4 Регистрация рентгенопроводимости 66
2.3 Методика определения параметров неравновесных носителей 66
2.3.1 Расчет числа генерированных носителей 73
3. ВЛИЯНИЕ СОБСТВЕННЫХ И ПНМЕСНЫХ ДШЕКТОВ НА РЕНТГЕНОПРОВОДИМОСТЬ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ 81
3.1 Исследование РП монокристаллов
3.1.1 Создание и разрушение заряда под действием рентгеновского излучения
3.1.2 Неравновесная проводимость щелочно-галоидных кристаллов при рентгеновском возбуждении 86
3.2 Рентгенопроводимость при импульсном воздействии
3.3 Обсуждение результатов 114
3.3.1 Параметры неравновесных носителей в ЩГК 114
3.3.2 Параметры неравновесных носителей
3.3.3 Рентгенопроводимость в кристаллах с различными механизмами радиационного дефектообразования 9
3.3.4 Особенности накопления объеглного заряда в Mq и MgO при рентгеновском облучении 120
4. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЖШЕОЦЕНЦШ И НЕРАВНОВЕСНОЙ ПРОВОДИМОСТИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ 123
4.1 Исследование люминесценции и электропроводности чистых и активированных РЗЭ монокристаллов ColF 12 3
4.1.3 Стационарная проводимость 133
4.1.4 Проводимость фтористого кадмия при импульсном рентгеновском воздействии 136
4.2.2 Температурная зависимость выхода
4.2.3 Поляризация люминесценции { при рентгеновском возбуждении 144
4.2.4 Влияние термической обработки на оптические свойства 147
4.3 Неравновесная проводимость при рентгеновском импульсном возбуждении 1ч7
4.3.1 Кинетика неравновесной проводимости
4.3.2 Анизотропия свойств неравновесной проводимости монокристаллов 150
4.4 Исследование спектров люминесценции монокристаллов при рентгеновском возбуждении I 54
4.5 Обсуждение результатов 57
4.5.1 Активаторная люминесценция при возбуждении рентгеновского импульсами 15 г
4.5.2 Взаимосвязь процессов электропереноса и люминесценции в монокристаллах
4.5.4 Поляризация и модель излучающего центра 170
4.5.5 Взаимосвязь и неравновесной проводимости РШ0О4 172
4.5.6 Механизм неравновесной проводимости
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 180
ЛИТЕРАТУРА 183
Введение к работе
Основные проблемы радиационной физики ионных кристаллов определяются как общими задачами физики твердого тела, так и специфическими проблемами, вытекающими из особенностей диэлектриков и их роли в современной науке и технике [6J .
Для получения обстоятельной информации необходимо исследовать и сопоставить различные неравновесные физические процессы, протекающие в момент облучения и их релаксацию к равновесному состоянию. Процессы взаимодействия излучения с твердым телом приводят к глубоким изменениям электрических и оптических свойств исследуемых объектов. Наиболее доступными и интересными проявлениями этих изменений являются люминесценция и неравновесная проводимость; большой интерес представляет также изучение возможной взаимосвязи этих явлений. В этом аспекте наиболее удобными объектами исследования являются диэлектрики: во-первых, они прозрачны в широком оптическом диапазоне, что облегчает исследование объемной люшшесценции; во-вторых, протекающие в них процессы с участием неравновесных носителей не маскируются высокой концентрацией свободных электронов. Изучение процессов создания и движения электронов проводимости ( е" ) и дырок ( е+ ) дает ключ для детального исследования многих оптических и электрических явлений в ионных кристаллах [69] .
Очевидные трудности в теоретической интерпретации механизмов взаимодействия излучения с твердым телом стимулируют настоятельную необходимость накопления экспериментальных данных для возможно более широкого класса веществ. При этом, наряду с простыми объектами, ставшими классическими, такими как щелочно-галоидные кристаллы (ЩЕК), целесообразно распространение исследований на другие структуры, которые могут отличаться по механизму взаимодействия, например широкозонные окислы металлов и кислородосодержащие соединения и др. [в] .
Соединения с структурой и, в частности, свинца относятся к классу полярных кристаллов fll] . Характерной особенностью этих соединений является зависимость их оптических свойств от электрических, механических и акустических воздействий. Кристаллы молибдата свинца обладают акустической активностью, что определяет их использование в качестве акустооптических дефлекторов [її, I47 , устройств получения и обработки оптической информации [49, 185] ; кроме того, они используются в качестве активного тела лазеров, в том числе с непосредственным возбуждением рабочей примеси электрическим разрядом [во] . Несмотря на широкое практическое использование, этот кристалл остается малоисследованным, нет единого мнения относительно модели излучающего центра, неизвестны параметры неравновесных носителей.
В данной работе установлено, что неравновесная проводимость Р&МоО осуществляется дырками, обладающими невысокой подвижностью; впервые проведены исследования спектра и кинетики люминесценции в области сильного температурного тушения, исследована поляризация люминесценции РМ0О4. , возбуждаемой рентгеновскими лучами и установлен ранее неизвестный факт - температурная зависимость конфигурации излучающего состояния. Полученные данные позволили уточнить модель излучающего центра и внесли ясность в электронные процессы, происходящие в Р8МоО$ при рентгеновском воздействии.
Использование ионных кристаллов в качестве диэлектрических подложек при изготовлении полупроводниковых приборов, диэлектрических слоев конденсаторов [і82] , диктует необходимость исследования их радиационной устойчивости, поскольку в настоящее время, в связи с развитием радиационной технологии, все актуальнее становится вопрос о радиационном воздействии на аппаратуру и ее отдельные элементы. При этом важно знать, как изменятся свойства даэлектрика в момент воздействия ионизирующей радиации, восстановятся ли его свойства по окончании радиационного воздействия. Не менее существенно также найти пути уменьшения вли яния радиации, неблагоприятно сказывающейся на работоспособности аппаратуры. В этом аспекте особый интерес представляет исследование MgO , как материала, обладающего высокой стойкостью к радиационным повреждениям и находящего применение в изделиях электронной техники.
В работе установлено, что в монокристаллах МоО , в отличие от ЩГК, наблюдается увеличение тока неравновесной проводимости при возрастании дозы, поглощенной образцом. Этот факт объясняется особенностью 1%0 как системы, в которой не наблюдается автолокализации экситонов. Установлено, что примесь железа в
Мои подавляет неравновесную проводимость; возрастания тока неравновесной проводимости при облучении образцов с примесью железа не происходит.
Монокристаллы щелочно-галоидных соединений давно уже стали модельными объектами физики твердого тела. Исследования, проведенные на ряде щелочно-галоидных соединений ( N Ct , К Сі , КБі- и С І ) позволили исследовать влияние примесных и радиационных дефектов на характеристики неравновесной проводимости. В [21,28/ установлено, что при высокой плотности возбуждения в ЩГК наблюдается своеобразный вид проводимости, названный авторами высокоэнергетической. Характерными особенностями высокоэнергетической проводимости являются малая инерционность и возрастание проводимости в момент облучения в 10 І0 раз. В данной работе при возбуждении рентгеновскими импульсами получено возрастание проводимости монокристаллов КВг в момент воз-действия рентгена в 10 +10 раз, с инерционностью 10 с. Таким образом показано, что наряду с сильноточными ускорителями электронов, использовавшимися в [28J , рентгеновские трубки дают возможность получать ценную информацию сравнительно доступными
/ методами.
При исследовании электропроводности диэлектриков неизбежно встает вопрос о возникновении в диэлектрике объеглного заряда; на основании результатов данной работы выделен ряд кристаллов, в которых образование объемного заряда при одновременном воздействии электрического поля и импульса рентгеновского излучения либо незначительно, либо образующийся объемный заряд разрушается уже при комнатной температуре. Установлено, что при воздействии рентгеновского излучения на монокристаллы Мо2 , помещенные в электрическое поле, в них образуется объемный заряд, сохраняющийся при комнатной температуре продолжительное время. При "стирании" его рентгеновским излучением во внешней цепи возникает электрический сигнал. Совокупность этих двух фактов позволила предложить устройство для записи и воспроизведения рентгеновского изображения [IO] .
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Установлена взаимосвязь процессов излучательной рекомбинации и неравновесной проводимости в монокристаллах CclF-i и PoMoCfy, обусловленная тем, что свободные носители в этих кристаллах образуются в результате термического распада центров, ответственных за собственную люминесценцию. В качестве этих центров в Р8Мо0 могут выступать экситоны, электронная когшонента которых локализована на молибдатной группе, а в случае Со/Рг автолокализованные экситоны. Для МйО связи неравновесной проводимости с полосами люминесценции, лежащими в области 2004-800 нм, не обнаружено.
2. Тетрагональный кристалл Р8М0О4 обнаруживает анизотропию свойств неравновесной проводимости, возбуждаемой рентгеновским излучением. Различие проводимости по основным кристаллографическим направлениям увеличивается с ростом тешературы в интервале 300 500 К.
3. С помощью поляризационных измерении установлен факт изменения с повышением температуры конфигурации излучающего центра, ответственного за собственную люминесценцию Р0М0О4. . Переориентация на 90° происходит в интервале температур 85 180 К.
4. Различие механизмов радиационного дефектообразования в монокристаллах KBh и МаО проявляется в неравновесной проводимости. По мере накопления поглощенной дозы рентгеновского излучения неравновесная проводимость МоО возрастает, а в случае КВ г и других ЩШ - уменьшается.
