НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2008, том 44, № 5, с. 592-597
УДК 535.37
РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В СЦИНТИЛЛЯТОРЕ Y3Al5O12 : Ce3+
© 2008 г. С. С. Новосад, И. С. Новосад, Л. В. Костык
Львовский национальный университет им. Ивана Франко, Украина e-mail: novosadis@rambler.ru Поступила в редакцию 26.02.2007 г.
Исследованы спектры рентгенолюминесценции, температурная зависимость активаторной люминесценции, особенности оптически стимулированной люминесценции и влияние ИК-излучения на выход, спектральный состав низкотемпературной рентгенолюминесценции и кривые термостиму-лированной люминесценции сцинтиллятора У3А^О12 : Се3+ в интервале температур 85-295 К. На основе анализа полученных результатов и литературных данных сделан вывод о том, что ионы Се3+ образуют в кристалле граната дырочные центры Се3+р и увеличивают концентрацию матричных электронных ^-центров, ответственных за полосу ИК-стимуляции люминесценции 940 нм. Уменьшение выхода рентгенолюминесценции при охлаждении У3А^О12 : Се3+ ниже температуры 230 К вызвано значительной локализацией генерированных возбуждением носителей заряда на дефектах, которые проявляются в пиках термостимулированной люминесценции и в спектрах оптической стимуляции люминесценции. Предполагается, что свечение Се3+-центров в У3А^О12 : Се3+ при низких температурах возбуждается в электронной стадии рекомбинационного процесса.
ВВЕДЕНИЕ
Сцинтилляторы на основе оксидов и оксидных систем, отличающиеся повышенной термической, химической и радиационной стойкостью, находят все большее применение в сцинтилляционной технике [1-7]. В [5, 6] с помощью эпитаксиальной технологии на основе У3А15О12 : И показана возможность получения тонкопленочных монокристаллических сцинтилляторов для а- и Р-спектрометрии и комбинированных сцинтилляторов, представляющих собой единые монокристаллические системы, включающие одну или две монокристаллические пленки и объемный монокристалл, для регистрации ионизирующих излучений с разной проникающей способностью.
В последнее время все более распространенным становится метод регистрации ионизирующих излучений с использованием явления оптически стимулированной люминесценции (ОСЛ) [8, 9]. Метод ОСЛ также успешно применяется для изучения оптически индуцированных эффектов в ре-комбинационной люминесценции кристаллов на основе оксидов и галогенидов металлов [9-13].
Механизмы ОСЛ в люминесцентных материалах иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) изучены недостаточно. В [14, 15] нами кратко сообщалось об особенностях впервые выявленной люминесценции, стимулированной ИК-светом, в рентгенизированных кристаллах У3А15О12 : Се3+ при низких температурах.
Цель данной работы - обобщение полученных в [14, 15] и новых результатов исследования особенностей ОСЛ, влияния ИК-излучения на выход и спектральный состав рентгенолюминесценции
(РЛ), на кривые термостимулированной люминесценции (ТСЛ) сцинтиллятора У3А15О12 : Се3+ для уточнения механизмов возбуждения и излуча-тельной рекомбинации в гранатах с примесью Се3+ при низких температурах.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Кристаллы У3А15О12 : Се3+ выращивали методом Чохральского в инертной атмосфере из иридиевого тигля в атмосфере аргона. Концентрация примеси церия СеО2 в шихте при выращивании кристалла составляла ~1.0 мас. %. Образцы изготовляли методом шлифовки и полировки в виде плоскопараллельных пластин размерами ~15 х 15 х 1.5 мм.
Спектры поглощения снимали на спектрофотометре 8ресоМ М-40. Спектры люминесценции и кривые ТСЛ исследовали в вакууме с помощью монохроматора спектрофотометра СФ-4А с фотоэлектронным умножителем ФЕП-51, сигнал которого усиливался усилителем постоянного тока и подавался на двухкоординатный регистрирующий прибор ПДА-1.
Для рентгеновского возбуждения образцов использовали аппарат УРС-55А (трубка БСВ2-Си, и = 45 кВ, I = 12 мА). Облучение ИАГ рентгеновскими квантами осуществляли через бериллиевое окно металлического криостата. При исследовании спектров РЛ излучение проходило сквозь толщину образца. ТСЛ регистрировали со стороны падающего на образец возбуждающего излучения.
В опытах по исследованию ОСЛ, влияния длинноволнового излучения на спектры РЛ и кривые ТСЛ в качестве источника излучения исполь-
зовали лампу накаливания мощностью 75 Вт с оптическим фильтром ИКС-7. При измерении спектров ИК-стимуляции источником излучения служила галогенная лампа КГМ12-100 и оптическая система монохроматора спектрофотометра СФ-4А. Конструкция установки позволяла соединять запись кривой термовысвечивания со снятием спектра термолюминесценции или снимать одновременно две кривые ТСЛ для разных спектральных областей.
Температуру образца измеряли медь-констан-тановой термопарой, размещенной на кристалло-держателе около образца. Скорость нагрева была ~0.15 К/с.
Кинетические параметры люминесценции кристалла исследовали при импульсном рентгеновском возбуждении (полуширина импульса Аг = = 1.5 нс) с использованием статистического метода счета единичных квантов по методике, описанной в [16]. Для оценки времени затухания люминесценции кристаллов кинетические кривые, полученные при комнатной температуре (295 К), перестраивали в координатах ^ ¡-г, при этом длительность импульса рентгеновского возбуждения не учитывали.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
В спектре поглощения полученного кристалла У3Л15012 : Се3+ при 295 К выявлены полосы при 234, 340 и 455 нм. Спектральный состав стационарной РЛ при этой температуре представлен неэлементарной активаторной полосой с максимумом около 550 нм. Исследование кинетики затухания РЛ показало, что импульс сцинтилляций У3Л15012 : Се3+ формируется двумя компонентами - с т1 ~ 65 нс и т2 - 100-130 нс (рис. 1а).
Температурная зависимость интенсивности РЛ У3Л15012 : Се3+ для активаторной полосы показана на рис. 16. Видно, что с понижением температуры кристалла интенсивность излучения в интервале 180-230 К ослабляется на ~20% и при более низких температурах до 85 К практически не изменяется.
В спектральной области 360-800 нм спектр РЛ У3Л15012 : Се3+ при 85 К характеризируется слабой полосой 400 нм и интенсивной неэлементарной активаторной полосой 540 нм. Предварительное облучение кристалла рентгеновскими квантами в течение 10 мин приводит к росту интенсивности полосы люминесценции на 30%. Значительное усиление активаторной РЛ при 85 К также регистрируется при дополнительном облучении образца длинноволновым светом X > 700 нм через светофильтр ИКС-7 (ср. кривые 1 и 2 на рис. 2). Спектральный состав ОСЛ представлен только полосой 540 нм (рис. 2, кривая 3).
Рис. 1. Форма сцинтилляционного импульса кристалла У3Л15О12 : Се3+ при 295 К (а) и температурная зависимость интенсивности РЛ кристалла У3Л150^ : Се3+ в максимуме активаторной полосы (б).
Стационарная РЛ У3Л15012 : Се3+ для максимума полосы 540 нм при 85 К характеризируется инерционным разгоранием. Действие ИК-подсвет-ки в момент возбуждения образца рентгеновскими квантами сопровождается вспышкой и увеличением интенсивности активаторного излучения. Выключение подсветки приводит к установлению стационарного значения РЛ, интенсивность которой растет со временем возбуждения образца. После прекращения рентгеновского возбуждения на начальной стадии затухания свечения наблюдается фосфоресценция на уровне 10-15% от интенсивности РЛ. Последующее облучение возбужденно-
X, нм
Рис. 2. Спектры излучения кристалла У3Л150^ : Се3+ при 85 К при рентгеновском возбуждении (1) и с дополнительным действием ИК-света (оптический фильтр ИКС-7) (2); 3 - спектральный состав ОСЛ (разность кривых 2 и 1).
(а)
600 900 1200
1500 X, нм
0 1 2 3 4 5
I, мин
Рис. 3. Кинетика разгорания и затухания ОСЛ (а) и спектр ИК-стимуляции люминесценции (б) кристалла У3А15012 : Се при 85 К.
го кристалла ИК-светом приводит к появлению вспышки ОСЛ, выход которой возрастает при увеличении времени рентгеновского возбужде-
г\1
(а)
/ 2 \
100
150
200 Т, К
Рис. 4. Кривые ТСЛ кристалла УзА^О^ : Се3+ после рентгеновского возбуждения (1), после рентгеновского возбуждения и последующего действия ИК-света (2) (а) и кривая светосуммы, освобожденной ИК-све-том (разность кривых 1 и 2 на рис. 4а) (б).
ния. Интенсивность вспышечной люминесценции в течение 5 мин ослабляется до ~10% (рис. 3 а) по экспоненциальному закону с постоянными временами затухания т1 ~ 68 с, т2 ~ 114 с и т3= 243 с. В спектре ИК-стимуляции люминесценции предварительно возбужденного в течение 10 мин рентгеновскими квантами кристалла для максимума ак-тиваторного свечения при 85 К обнаружена неэлементарная полоса 940 нм (рис. 36). Аналогичные исследования выявили, что спектр ИК-стимуляции люминесценции кристалла У3А15012 : Ш3+, возбужденного рентгеновскими лучами при 85 К, характе-ризируется полосой с максимумом около 1040 нм с меньшей в ~3 раза интенсивностью.
На кривой ТСЛ возбужденного рентгеновскими лучами У3А15012 : Се3+ в течение 10 мин при 85 К, кроме слабых пиков при 115 и 218 К, наблюдается интенсивный неэлементарный пик при 167 К (рис. 4а, кривая 1). Действие ИК-подсветки при 85 К на предварительно возбужденный рентгеновским излучением кристалл при аналогичных режимах приводит к разрушению пика 115 К, ослаблению интенсивности пика 167 К, смещению максимума в область 172 К и незначительному усилению более высокотемпературных пиков (ср. кривые 1 и 2 на рис. 4а). Из рис. 46 следует, что кривая светосуммы, освобожденной в результате ИК-подсветки, характеризируется в основном пиком при 164 К. Спектральный состав ТСЛ У3А15012 : Се3+ представлен активаторной полосой. После импульсного прогрева до 180 К возбужденного при 85 К рентгеновскими квантами кристалла полоса 940 нм в спектре ИК-стимуляции люминесценции практически не регистрируется.
Для получения дополнительной информации об рекомбинационных процессах в У3А15012 : Се3+ была исследована люминесцентная система, состоящая из пленки У3А15012 : Се3+ толщиной ~30 мкм, выращенной методом жидкофазной эпитаксии на подложке из монокристалла У3А15012 [5]. Выявлено, что пленочный люминофор У3А15012 : Се3+ при 295 К характеризируется активаторными полосами поглощения с максимумами около 340
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.