ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2004, том 96, № 2, с. 264-268
^ СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^^^^^^^
ТВЕРДОГО ТЕЛА
УДК 535.372
ЭФФЕКТИВНОСТЬ СОЗДАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В КРИСТАЛЛАХ ФТОРИДОВ Li И Mg
© 2004 г. Л. А. Лисицына *, В. М. Лисицын**, В. И. Корепанов**, Т. В. Гречкина**
*Томский государственный архитектурно-строительный университет, 630003 Томск, Россия **Томский политехнический университет, 634034 Томск, Россия E-mail: lisitsyn@list.epd.tpu.edu.ru Поступила в редакцию 29.05.2003 г.
Представлены результаты исследования в широком температурном диапазоне 11-500 К процессов радиационного создания первичных дефектов (F-центров) и автолокализованных экситонов во фторидах Li и Mg, отличающихся типом кристаллической решетки при одинаковой ширине запрещенной и валентной зон. Показано, что при качественном подобии закономерностей создания исследованных дефектов в низкотемпературной области 11-100 К в кристаллах имеет место различие в соотношении между каналами диссипации энергии автолокализующегося электронного возбуждения и типами создаваемых автолокализованных экситонов.
В настоящей работе представлены результаты исследования процессов радиационного дефекто-образования первичных дефектов (автолокализованных экситонов и френкелевских пар) и приведен сравнительный анализ полученных закономерностей в кристаллах ЫБ, имеющих кристаллическую решетку №С1, и в кристаллах М§Б2 с решеткой рутила. Ширины как запрещенных, так и валентных зон в кристаллах практически одинаковые: 13.6 и 6.1 эВ соответственно - в ЫБ и 13 и 6 эВ - в М§Б2 (табл. 1). Отличительной осо-
бенностью кристаллов М§Б2 по сравнению с ще-лочно-галоидными кристаллами (ЩГК) и ЫБ, в частности, является отсутствие для них экспериментального подтверждения явления автолокализации дырок, есть лишь предположение относительно положения полосы поглощения этих центров, оцениваемого экстраполяцией данных для фторидов щелочно-земельных кристаллов (табл. 2).
Исследованы спектрально-кинетические характеристики релаксации поглощения и свече-
Таблица 1. Некоторые параметры кристаллов ЫБ и М§Б2 и спектрально-кинетические характеристики автолокализованных экситонов в этих материалах
Кристалл En, эВ E , эВ Стоксов сдвиг Ed, эВ T(I) (10%), K Т(Б) (10%), K Время жизни х106 c
AE, эВ AE/E1s Т1 Т2 Ъ Т4
LiF 5.8 [2] 5.5 7.28 0.56 0.06 [2] 60 [2] 120 [2] 30 [2] 700 [2]
Eg = 13.6 эВ [7] 5.1 [1]
Ev = 6.1 эВ [13] 4.4 [2] 5.3 8.68 0.66 0.05 [2] 30 [2] 700 [2]
E1s = 13.1 эВ [15] 4.75 [1]
га/гк = 0.51
MgF2 3.2 [3, 4] 4.3 9 0.74 0.07 [4] 60 [4] 120 [4] 750 [3, 4] 6400 [3, 4]
Eg = 13 эВ [14] 4.6
Ev = 6 эВ [20] ~5.5 [3, 4]
E1s = 12.2 [16]
Га/Гк = 0.55
Примечание. Е^, Е^ - энергии запрещенной и валентной зон соответственно, Е15 - полоса поглощения свободных экситонов (п = 1), га/гк - отношение радиусов аниона и катиона, положение излучательных (Еп) и поглощательных (Епогл) переходов АЭ, абсолютная величина (ДЕ = Е15 - Еп) и приведенное значение (ДЕ/Е15) стоксова сдвига, энергия активации термического отжига (Е^), температура отжига интенсивности свечения Т(1) (10%) и оптической плотности Г(О) (10%), т^ - время жизни при 20 К.
Таблица 2. Параметры центров окраски в кристаллах ЫБ и М^Р2
Кристалл Центр Е погл ^погл, эВ Ш, эВ Е, эВ Бл, эВ Тл, К Ба, эВ
ЦБ Б 5.1 [17] 0.6 [17] 2 х 102 3 х 103 [18] 1.1 [13] 550 0.06 [2]
Н 4 [17] 0.08 [7] 60 [14]
ук 3.56 1.2 [13] 0.32 [13] 125 [13]
1.65 [13]
М§Б2 Б 4.85 [7] 0.6 [7] 2 х 103 105 [16] 500 0.07 [4]
Н 4.3(?) [7] 60 [19]
ук 4.1(?) [7]
Примечание. Положение (Епогл) и полуширина (§погл) полос поглощения; энергия, затрачиваемая на создание (Ш) и накопление (Е) центров при 20 К, энергия активации термического отжига (Ед) и температура (Тд) делокализации, энергия активации процесса создания (Ба).
ния, инициированные действием импульса радиации в кристаллах, во временном интервале 10-8-1с после его окончания в широком температурном диапазоне 11-500 К. В качестве источника радиации использовался импульсный ускоритель электронов, работающий в режиме генерации одиночных импульсов потока ускоренных электронов наносекундной длительности. Плотность возбуждения кристаллов в импульсе не превышала 0.1 Дж см-3, средняя энергия электронов составляла 20 кэВ, длительность импульсов - 7нс. Исследовались особо чистые кристаллы ОБ и М§Б2, выращенные в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова (Санкт-Петербург).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Результаты экспериментальных исследований могут быть представлены в виде следующих обобщений.
1. Под действием единичного импульса электронов (ИЭ) в кристалле ЫБ при низкой температуре образуются автолокализованные экситоны (АЭ) двух типов, различающиеся спектрально-кинетическими характеристиками поглощатель-ных и излучательных переходов, значениями энергии активации процессов пострадиационной релаксации и характером температурной зависимости эффективности создания [1]. АЭ ои-типа с излучательным триплет-синглетным (Г-£) переходом на 5.8 эВ и триплет-триплетными (Т-Т) по-глощательными переходами на 5.5 и 5.1 эВ. АЭ о//-типа имеет излучательный переход на 4.4 эВ и поглощательные переходы на 5.3 и 4.75 эВ. Концентрации создаваемых действием ИЭ АЭ двух типов оценивались как по значениям высвечиваемых светосумм в соответствующих полосах свечения (5.8 и 4.4 эВ), так и по величине поглощения в максимумах длинноволновых полос в спектре каждого АЭ (5.1 и 4.75 эВ соответственно). Соотношение концентраций АЭ двух типов от способа измерения не зависит. Обнаружено, что в
интервале 11-60 К максимальная эффективность создания АЭ /-типа имеет место при 60 К, тогда как эффективность создания АЭ ои-типа падает с ростом температуры выше 20 К [2]. При этом суммарный выход АЭ практически не зависит от температуры кристалла в диапазоне 11-100 К и падает при дальнейшем росте температуры (см. рисунок, кривая 2). Выше 60 К в области тушения свечения АЭ обоих типов концентрация АЭ оценивалась только по величине оптической плотности в длинноволновых поглощательных переходах. Тушение свечения начинается для АЭ обоих типов при одной и той же температуре 60 К (рис. 1а) и совпадает с температурой делокализации Н-цент-ров (табл. 1, 2).
В кристалле М§Б2 под действием ИЭ в области 20-150К создается АЭ /-типа с излучательным (Т-5) переходом на 3.2 эВ и поглощательными (Т-Т) переходами в области 4-5 эВ [3-5]. Зависимости от температуры интенсивности свечения в полосе при 3.2 эВ и оптической плотности в эк-ситонной полосе поглощения, измеряемой через 10 нс после окончания действия ИЭ, не совпадают. Величина оптической плотности в области 4.3 эВ, определяющая заселенность излучатель-ного уровня на 3.2 эВ, остается постоянной в области 30-110К (см. рисунок, кривая 5), тогда как интенсивность свечения в полосе при 3.2 эВ уменьшается более чем на порядок с ростом температуры выше 60 К [4] (см. рисунок, кривая 4). При этом температура начала тушения свечения АЭ в М§Б2 совпадает с температурой делокализации Н-центров в этих кристаллах (табл. 1, 2).
Кинетики пострадиационной релаксации обусловленного АЭ поглощения и свечения в ЫБ подобны и описываются одинаковым набором экспонент. Такая же закономерность характерна и для АЭ в кристаллах М§Б2. Совпадение временных параметров релаксации излучательных и поглощательных переходов АЭ в каждом из кристаллов свидетельствует о том, что излучатель-ное состояние АЭ является нижайшим для каждо-
D, I, отн. ед. 100
10
1-1
i-2
10
10-3 10°
10
10
10
101
102
103 T, K
Зависимости от температуры интенсивности свечения (1, 4) и оптической плотности в длинноволновой полосе поглощения автолокализованных экситонов (2, 5), оптической плотности в максимуме ^ полосы (3, 6) в спектрах кристаллов ЫБ (1-3) и MgF2 (4-6).
го из его Т-Т поглощательных переходов. Значения характеристических времен релаксации при 20 К приведены в табл. 1. В ЫБ в области низких температур наблюдается многоэкспоненциальный характер затухания свечения АЭ обоих типов. При 11 К наблюдаются три компонента затухания в полосе на 4.4 эВ и два - в полосе на 5.8 эВ (табл. 1). В температурной области 11-60 К значения всех констант затухания не зависят от температуры и уменьшаются с ростом температуры в области Т > 50К.
В кристалле MgF2 затухание свечения АЭ в полосе при 3.2 эВ описывается набором двух экспонент, значения характеристических времен которых 6400 и 750 мкс (табл. 1) не зависят от темпе-
ратуры в области 20-50 К, уменьшаются при дальнейшем увеличении температуры. Выше 70 К кинетика затухания свечения в полосе 3.2 эВ становится моноэкспоненциальной за счет теплового смешивания компонентов.
Таким образом, в кристаллах и LiF и MgF2 под действием радиации создаются АЭ с постоянной эффективностью в диапазоне 20-100 К, которая уменьшается при дальнейшем увеличении температуры кристалла при облучении. Энергетические затраты на создание одного АЭ при 11 К практически одинаковы и равны 30 эВ в MgF2 и 20 эВ в LiF. В кристаллах MgF2 под действием радиации создается один тип АЭ во всем исследованном интервале температур 20-150 К - АЭ off-типа точечной симметрии С1 с ядром в виде молекулы F2 в одноузельной позиции. В отличие от MgF2 в LiF в области T > 25К имеет место термоактивированное преобразование АЭ on-типа в АЭ off-типа, сопровождаемое смещением двухга-лоидного ядра АЭ из двухузельной позиции в решетке в одноузельную. Излучательные переходы АЭ off-типа на 4.4 (LiF) и 3.2 эВ (MgF2) имеют практически одинаковые большие значения абсолютного (8.68 и 9 эВ соответственно) и приведенного стоксова сдвига (0.66 и 0.74) (табл. 1), что свидетельствует о значительной колебательной релаксации решетки в месте рождения АЭ и является одним из аргументов в пользу off-центрового характера рассматриваемых АЭ в этих кристаллах.
2. Одновременно с АЭ в обоих кристаллах под действием ИЭ создаются F-центры. В кристалле LiF эффективность создания F-центров практически не зависит от температуры в области 11140 К, увеличивается при
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.