Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время разработка новых оптических материалов на основе широкозонных диэлектриков, предназначенных для использования в качестве сцинтилляторов, спектральных трансформаторов и оптических элементов, привлекает повышенное внимание, причем одним из путей получения материалов с улучшенными характеристиками является переход к сложным системам, в частности, к твердым растворам и системам с соактиваторами. В настоящей работе проводится исследование некоторых сложных систем -твердых растворов многокомпонентных фторидов и фосфоров на основе сульфида кальция с соактиваторами. Многокомпонентные фториды представляют практический интерес для поиска оптических материалов с улучшенными механическими характеристиками [1]. Фосфоры на основе сульфидов с соактиваторами отличаются высокой эффективностью светового преобразования [2, 3] и имеют широкую область применения в качестве рабочего вещества для фото-, катодо- и электролюминесцентных устройств, например, плоских дисплеев, устройств подсветки для них, спектральных трансформаторов для свето диодов [4]. Для сложных систем релаксация электронных возбуждений и перенос энергии имеют свою специфику. Такие системы недостаточно изучены как с экспериментальной, так и с теоретической точек зрения.
В диссертационной работе исследуются процессы релаксации энергии и переноса ее к центрам свечения в широкозонных диэлектриках - смешанных фторидах и сульфидах с соактиваторами - при возбуждении в ультрафиолетовой и вакуумной ультрафиолетовой областях спектра. Данные области соответствуют фундаментальному поглощению исследуемых материалов, в которой в результате поглощения фотонов образуются электронно-дырочные пары. Для оценки эффективности таких систем важно оценить вероятность связывания таких пар в экситон и передачу энергии
центрам свечения. Для анализа этих процессов в настоящей работе проводится не только экспериментальное, но и теоретическое исследование процессов рекомбинации с постановкой численных экспериментов, в том числе в условиях появления дополнительных ветвей оптических колебаний, характерных для многокомпонентных систем. Такие теоретические исследования процессов рекомбинации носителей заряда в широкозонных кристаллах актуальны в связи с разработкой сцинтилляторов с высокой эффективностью и высоким энергетическим разрешением.
Основные цели и задачи работы, изложенной в настоящей диссертации, заключаются в следующем:
-
Экспериментальное исследование спектрально-люминесцентных свойств активированных церием двухкомпонентных кристаллов Cai_xSrxF2:Ce и фосфоров CaS, активированных марганцем совместно с редкоземельными элементами Се, Eu, Sm, Pr, Тт, в УФ-спектральной области.
-
Изучение влияния эффектов «горячего захвата» и структуры фононного спектра на вероятности образования экситонов в зависимости от параметров материала как аналитическими методами, так и с помощью численного моделирования.
Основные методики исследования - люминесцентная спектроскопия при возбуждении излучением с энергией фотонов, соответствующей области фундаментального поглощения исследуемых материалов, моделирование исследуемых процессов с постановкой численных экспериментов.
Основные результаты, полученные в диссертации:
-
Для всех исследованных систем смешанного состава Cai.xSrxF2:Ce (0.05 а%) экспериментально установлено сосуществование двух каналов свечения при возбуждении светом с энергией фотона 130 эВ: люминесценции ионов Се и автолокализованного экситона.
-
Экспериментально показано качественное различие в эффективности передачи энергии центрам свечения для CaS:Ce,Mn и CaS:Ce,Na в спектральном интервале от 8 до 20 эВ.
-
Экспериментально продемонстрировано, что люминесцентные свойства фосфоров CaS:Re,Mn существенно различаются в зависимости от условий синтеза.
-
С помощью численного моделирования установлено, что падение эффективности возбуждения CaS:Ce в области вблизи края фундаментального поглощения во многом определяется уменьшением вероятности рекомбинации скоррелированных электронов и дырок с ростом энергии фотонов.
-
На основе численного моделирования и аналитических вычислений продемонстрировано, что в кристаллах сцинтилляторов с большой энергией продольных оптических (LO) фононов вероятность образования экситонов во многом определяется эффектом «горячего захвата» электронов и дырок друг на друге.
-
Аналитически и с помощью численного моделирования показано, что наличие дополнительных фононных ветвей уменьшает радиус разлета носителей в процессе термализации, что может объяснить более высокий выход сцинтиляции в кристаллах сложного состава и твердых растворах. Научная новизна работы.
-
Впервые произведено исследование люминесцентных свойств в УФ-спектральной области ряда сложных систем: активированных церием двухкомпонентных кристаллов Cai_xSrxF2:Ce3+(0.05 а%) и фосфоров на основе CaS с двумя активаторами CaS:Re,Mn (Re= Се, Eu, Sm, Pr, Тт).
-
Впервые аналитически и с помощью численного моделирования выполнены оценки влияния эффекта «горячего захвата» электрона дыркой на вероятность образования экситонов в сцинтилляторах.
-
На основе численного моделирования и аналитических вычислений продемонстрировано впервые, что наличие дополнительных фононных ветвей ускоряет термализацию носителей, что объясняет повышенную эффективность рекомбинации в смешанных кристаллах.
Практическая ценность работы.
Продемонстрировано, что кристаллы Cai_xSrxF2:Ce3+(0.05 а%) можно рассматривать как перспективную замену CaF2 и SrF2 для оптических применений. Показана возможность использования данных материалов в качестве сцинтилляторов благодаря коротким временам высвечивания.
Предложены возможные области применения CaS:Re,Mn. Показано, как с помощью изменений условий синтеза можно изменять спектральные характеристики CaS:Re,Mn.
Разработана модель оценки эффективности рекомбинации в сцинтилляционных кристаллах со сложным фононным спектром, что обосновывает направление разработки высокоэффективных сцинтилляторов на основе кристаллов сложного состава и твердых растворов.
Установлено положительное влияние эффекта «горячего захвата» электрона и дополнительной фононной ветви на вероятность образования экситонов в сцинтилляторах, что в практическом отношении интересно для разработки сцинтилляторов с высокой эффективностью и высоким энергетическим разрешением. Личный вклад соискателя.
Проведение экспериментальных исследований на установке по спектроскопии твердого тела отдела ФПКЭ НИИЯФ МГУ. Участие в обработке и анализе результатов экспериментов. Участие в построении моделей процессов релаксации возбуждений в диэлектриках. Написание программного обеспечения для проведения численных экспериментов на основе построенных моделей. Проведение численных экспериментов и участие в анализе и обработке результатов.
Достоверность результатов.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современного оборудования, в том числе в ведущем центре синхротронного излучения в DESY, Гамбург, применением отработанной
методики проведения измерений и обработки результатов, а также наличием серий взаимодополняющих экспериментов.
Достоверность результатов теоретических расчетов обеспечивается использованием современных методов расчета, анализом данных на промежуточных стадиях вычислительных процессов, сравнением результатов численного эксперимента с аналитическими оценками, сравнением результатов с имеющимися литературными данными, сравнением с результатами экспериментов.
Апробация работы и публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, из них 3 - статьи в реферируемых журналах. Результаты работы были представлены на 10 российских и международных конференциях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Список использованной литературы содержит 126 наименований. Текст диссертации содержит 145 страниц машинописного текста, включая 43 рисунка, 3 таблицы.
