Взаимосвязь структурных особенностей и оптических характеристик в диэлектрических кристаллах на основе свинца Рыбченко, Сергей Иванович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Изучение строения электронных возбуждений в кристаллах с сильным электрон-фононным взаимодействием является достаточно сложной задачей. В настоящее время наиболее подробно изучено строение автолокализованных экситонов в щелочногалоидных кристаллах. Накоплен значительный набор данных для кристаллов инертных газов, кварца, галогенидов щелочноземельных металлов, серебра, таллия, аммония. В диэлектриках на основе свинца структура электронных возбуждений остается практически невыясненной. Это связано в основном с очень резкой зависимостью характеристик свечения (форма и положение полос люминесценции, температура гашения и др.) от типа кристаллической структуры даже для относительно простых бинарных соединений.

С другой стороны, характерными особенностями кристаллов на основе свинца (а также других ионов с s² внешней электронной оболочкой) являются значительная концентрация собственных дефектов и развитый полиморфизм. Включения других фаз и наличие дефектных состояний существенно усложняет люминесцентные свойства реальных кристаллов и затрудняет выделение характерных черт свечения, присущих идеальному кристаллу. В связи с этим, требуется последовательный учет факторов дефектности и полиморфизма, что обуславливает индивидуальный подход к каждому соединению. При этом в качестве объектов исследования наиболее привлекательны соединения, доступные в нескольких структурных модификациях одновременно. Такими системами являются вольфрамат свинца и фторид свинца, устойчиво существующие в двух структурных модификациях одновременно в широком температурном интервале. Существенное отличие этих соединений в типе аниона. Так фторид свинца - это простое бинарное соединение, а в вольфрамате свинца анион комплексный - в виде устойчивой группы W0₄(WO_e).

В последнее время интерес к данным соединениям значительно усилился в связи с поиском новых материалов с

большой плотностью для детекторов ионизирующего излучения как высокой (в экспериментах ядерной физики), так и низкой (в медицинской томографии) интенсивности потоков излучения.

Детальные исследования люминесценции кристаллов PbF₂ и PbW0₄ в различных структурных состояниях дают результаты, необходимые для понимания устройства электронных возбуждений в этих фисталлах и выяснения возможностей их практического применения. Поэтому эти исследования представляются актуальными.

Цель и основные задачи работы. Целью работы было исследование проявлений дефектности и полиморфизма в спектрах фотолюминесценции в фисталлах PbF₂ и PbW0₄, выделение характерных черт люминесценции идеального фисталла. Цель работы определила следующие задачи:

-Исследование температурной зависимости спектров и кинетики фотолюминесценции в различных структурных модификациях PbF₂ и PbVyo₄.

-Исследование зависимости люминесценции в PbF₂ и PbW0₄ от изменений в составе точечных дефектов реального кристалла, как собственного, так и примесного происхождения. -Выяснение возможных проявлений метастабильности структуры в люминесцентных свойствах обоих соединений.

-Исследование температурной зависимости комбинационного рассеяния света в фисталлах PbW0₄.

Также ставилась задача оценить перспективность использования фторида и вольфрамата свинца в качестве сцинтилляторов.

Научную новизну работы составляют следующие результаты, выносимые на защиту:

1. Впервые изучены основные характеристики фотолюминесценции фторида свинца в орторомбической модификации. Показана возможность проявления свечения орторомбической фазы в спектре кубической модификации реального кристалла. 2. Обнаружен факт обратимого изменения структуры фторида свинца под действием среды электролита, связываемый с изменениями стехиометрии фисталла по фтору. Разработана методика наблюдения In situ за развитием фазового перехода в

среде электролита. Установлена возможность стабилизации кубической фазы в нормальных условиях при насыщении фтором.

3. В спектре люминесценции стабилизированной фтором кубической
фазы обнаружены признаки миграции электронного
возбуждения и возникновение новой полосы люминесценции с
максимумом 3.2 эВ.

1. Впервые исследована фотолюминесценция вольфрамата свинца в моноклинной модификации. Характеристики люминесценции подтверждают модель центра свечения на основе искаженной октаэдрической группы WO_e, что позволило предложить модель строения центров свечения, связанных с дефектами в тетрагональной модификации РЬ\ЛГО₄.

2. Выявлена температурная область (около 200К), в которой происходит качественное изменение характеристик люминесценции тетрагональной фазы PbW0₄:

-развивается температурное гашение люминесценции -кинетика свечения становится неэкспоненциальной. Наблюдаемые особенности связываются с взаимодействием дефектных состояний с нижайшими по энергии зонными состояниями.

Практическая ценность. На основе полученных результатов можно выбрать оптимальную кристаллическую структуру и предложить пути оптимизации дефектного состава кристаллов PbF₂ и PbW0₄ для использования их в качестве сцинтилляционных детекторов иоизирующего излучения малой и большой плотности соответственно.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: конференциях Американского Материалловедческого общества (MRS, Spring and Fall Meetings 1994); 7-ой Еврофизической Конференции по Дефектам в Изоляторах, (Lyon, France, 1994, EURODIM'94); 13-ой Международной Конференции по Дефектам в Изоляторах (Winston-Salem, USA, 1996, ІСОІМ^б); Международной конференции по неорганическим сцинтилпяторам и их применению, (Delft, The Netheriand, 1995, SCINT95), Всероссийском семинаре "Ионика твердого тела" (Санкт-Петербург, сПГУ, 1995).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на % страницах, включая ]±_ рисунков, ") таблиц и список литературы из Я і наименований.