Излучательный и безизлучательный распад электронных возбуждений в кристаллах галогенидов цезия Гафнатулина, Елена Саутановна

Введение к работе

Актуальность темы. Интерес исследователей к изучению радиационных іффектов в твердых телах связан с решением таких практических задач, как юиск и разработка материалов с различной чувствительностыо к воздействию адиацин для использования в технике н технологии, дозиметрии. ОсновноЛ адачей исследований в области радиационной физики твердого тела является глублепне и расширение имеющихся знаний о радиационных процессах и ме-ани «мах их протекания в различных классах твердых тел.

естественно, что изучение радиационных процессов в твердых телах в пер-ую очередь должно проводиться на модельных объектах. Для систем с преоб-ідающим ионным типом связи модельными являются шелочно-гаяоидные міс галлы (ЩГК). Эти кристаллы имеют достаточно простую структуру ре-етки, могут быть получены высокого совершенства.

С использованием высокопнформативного метода люминесцентной и аб-рбционной спектрометрии с временным разрешением (ЛАСВР) получен це-ій ряд важнейших результатов для физики радиационного дефектообразова-[я в ионных кристаллах. К. их числу относятся данные Виллнямса и Каблерз 370)'но исследованию энергетической структуры двухгалоидных гзтолока-зованных экситоноз (ДАЛЭ). установление того факта, что генерация F-H р происходит из более высоких экентонных состояний, чем я- и о - нзлуча-іьньїе состояния автолокалнэованных экситонов (АЛЭ) (Кондо и др., 1972). ло показано, что F-H пары можно разделить на неустойчивые, которые аипи-іируют по экспоненциальному закону, н стабильные, разрушение которых іисходнт по более сложному закону (Хнраи, 1971), и что их образование «исходит по разным законам ;Карасава, 1976). Полученные совсем недавно іньїе по измерению кинетики создания F-центроа при возбуждении лазер-пи импульсами фемтосскукдной длительности показали, что F-иеитры імнруются за 15-20лс(Сугкямаидр., 1996).

Большинство работ выполнено на ІЦГК со структурой каменной соли. Следует отметить, что яшю недостаточно изучены процессы распада электронных возбуждений (ЭВ) на структурные дефекты п кристаллах галогенидов печи» -Csl, CsBr, CsCI,- имеющих простую кубическую решетку, что нс позволяет в полной мерс судить отой роли, которую оказывает структура решетки на процессы дсфектообразовання о шелочно-галоидммх кристаллах К настоящему времени остается большой круг нерешенных вопросов, связанных с представлениями о механизмах протекания раднациошю-индунированных процессов в ЩПС тина CsCI. Так, например, хотя йодид цезия и широко применяется о скоростных сцинэилляторах, но природа его высокотемпературного свечении однозначно не определена. Не сложилось единого взгляда и на механизм собственного свечения кристалла CsCI. Поэтому в качестве объектов исследования нами били выбраны кристаллы галогенидов цезия, имеющих простую кубическую решетку.

Общей задачей работы являлось систематическое исследование процессов распада ЭВ на структурные дефекты в ЩІК с решеткой типа CsCI, при импульсном электронном облучении с целью выявления общих закономерностей образования дефектов в ттих кристаллах.

В связи с этим был определен следующий круг проблем, требующих экспериментального решения.

1. Исследовать спектральные и кинетические хараю еристики центров поглощения и свечения в ІЦІ'К с простой кубической решеткой ттри Р^а зличных режимах импульсного электронною облучения, с келью кмявлемня факгороя, влияющих на механизмы генерации и аннигиляции дефектов.

2. Установить особенности протекания процессов распада 'Ш с рождением дефектов, а также особенности взаимодействия дефектов между собой, в кристаллах галогенидов цезия, на примере CsBr. предварительно окрашенных серией электронных импульсов.

Научная новизна. II) спекпте перехопимо шч.іошснпч кріїсін.і.та (41 при 80 К обнаружена новая полоса с макснч\м<>м при 3 1 «И и ієна ст

*"',
связь с переходами в дырочном компоненте ЛЛЭ со структурой- Xj". На осно
вании данных анализа спектрально-кинетических свойств люминесценции и
Наведенного переходного поглощения сделано заключение о*том, что в кри
сталле Csl ядро автолокалитошншых экситоноа может иметь две конфигурации,
- двух-и трехгалоидную. '

1. Получены прямые экспериментальные результаты, показывающие, что создаваемые в кристалле CsGI трнплетиые АЛЭ к короткожнвущие F.H пары « разрушаются в едином мономолекулярном процессе. Сделан вывод о том, что два эти типа дефектов способны при 80 К многократно преобразовываться друг в друга до того, ках произойдет их аннигиляция по общему каналу, И "тесные" F-H поры дефектов мо^ю рассматривать, следовательно, ках одігу in структурных морфологии трнааетиых АЛЭ.

2. Впервые, с использованием техники двойного каскадного возбуждения кристаллов CsDr, выполнены количественные оценки выхода трнплетных АЛЭ из реакции (У_к+е}-рекомбнпашт. Показано, что оптическая стимуляция реакций рекомбинации электронов с заранее созданными Vi центрами приводит к образованию трнплетных АЛЭ с квантовой эффективностью, значительно (более чем вдвое) превышающей их выход в случае зона-зонной рекомбинации. Сделан вывод о существовании в облученных ионизирующей радиацией кристаллах эффективного канхіа безызлучательной рекомбинации электронов с дырками на ранних стадиях автолокализацни; конкурирующего с реакцией (Vi+c) и ведущего к снижению выхода трнплетных АЛЭ.

3. Установлено, что полосы собственной люминесценции кристалла CsCl с максимумами при 4.6 и 5.2 эВ имеют различную природу: коротковолновая полоса с максимумом при 5.2 ->В обусловлена излучательной аннигиляцией двухгалондных АЛЭ из возбужденного синглетного состояния, а свечение при 4.6 эВ - остовно-валентнымм переходами.

4. Предложен новый механизм возникновения быстрозатухающей высокотемпературной УФ-люмннесценщш с максимумом при 4.1 эВ в кристалле

4 Csl, связанный с созданием трехгалоидного "off-center" АЛЭ и послел>-юшсй его мзлучателыюй аннигиляцией.

6. На примере крисгачла CsDr показано, что создание АЛЭ п наикизшем триплетом состоянии возможно не только в результате релаксации свободного экситона или при рекомбинации электрона зоны проводимости с автолока-лмзованной дыркой, но л при туннельном переносе электрона F-центра на свободные уровни Vv-цснтра.

7. Температурный рост выхода пространственно разделенных F- и Н-цеїпро» обусловлен процессом термоактнвнро&анного распада 3kchtoiiod из наинкз-ших релаксированнмх состояний. В кристалле CsCi релаксированиыми состояниями являются триплстные АЛЭ и "тесные" F-H пары, а в кристалле Csl - двухгалондные, трехгатоидные "on-" и "off-center" экситоны.

Аптоо зніциіцает. 1. Особенности рааиацнонно-сти.мулнровзнных явлений и чистых кристаллах Cs!: высокая сцинтилляцнонная эффективность при температурах вблизи комнатной, низкий выход радиационных дефектов вызваны тем, что автолокашзованпые экситоны в этих кристаллзх имеют такую решеточную конфигурацию, при которой дырочный компонент АЛЭ локализован не на двух, как в большинстве ЩПС, а на трех ионах галоида.

2. Возникающие с ростом плотности возбуждения, а также концентрации накопленной дефектности явления, - деградации люминесценции АЛЭ, уве-' личеиия вклада стабильного компонента в кинетику релаксации оптической плотности в F-лолосе поглощения в кристаллах CsCI и CsBr, усиления коротковолнового свечения в CsBr,- обусловлены изменением вероятности экентоиного распада по излучатсльному и безызлучательному каналам за счет увеличения вклада в обший рекомбішацнонішії процесс реакций захвата электронов коле-бателыто-нерелаксированнымп дырками.

3. Наряду с известными механизмами создания триплетных АЛЭ (в ходе релаксации свободных экситоно», при захвате электронов проводимости V*-нентрами, при рекомбинации F- и Н-центроп, туннельной перезарядке "тесных" F-H пар) я кристалле CsBr реализуется механизм рекомбинашганной сборки

АЛЭ посредством туннельного переноса электрона F-nempa на свободные верхние уровни дырочных Vk-центров окраски.

4. Двухполосные спектры быстрозатухающей собственной люминесценции кристалла CsCl обусловлены нзлучателиными переходами двух различных типов: коротковолновая полоса с Е=5,2 эВ возникает при излучатслыюй аннигиляции двухгатоидных АЛЭ из релаксированного возбужденного синглетно-го состояния, свечение п области 4.6 эВ обуслоплено, no-ииднмому, переходами из верхней 2pCV валентной в 5pCs* остоаную зону.

Практическая ценность работы. Полученные а результате проведенной работы данные о процессах дефектообразования а ЩГК типа CsCl открывают новые возможности для разработки путей управления-радиационной'стойкостью материаіов.'

Обнаруженные нелинейные явления в эффективности создания неустойчивых и стабильных дефектов при изменении плотности возбуждения іші концентрации предварительно накопленных дсі{>естов необходимо учитывать при оценке эффективности работы в полях радиации различных устройств (сщж-тидляторов, дозиметров ионизирующих излучений).

Данные по исследованию вторичных реакций следует учитывать при раз-работке приборов, в основу работы которых положены туннельные явления.

Иублінкшии и пклпд «втора. Результаты по теме диссертационной работы изложены в 9 работах. Работы являются коллективными и автору принадлежат результаты и выводы, изложенные в диссертации.

Апробации работы. Основные результаты диссертационной работы докла
дывались и обсуждались на: шестой международной конференции "Радиацион
ные гетерогенные процессы" (Кемерово, 1905), IX международной
конференции по радиационной физике и химии ионных кристаллов (Томск,
1996), международной конференции "Сцинтилляцнонные материалы и irx
применение" (Екатеринбург, 1996), 2^,3^ и 4"* областных научно-практических
конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (Томсх, 1996. 1997,
1998), Всероссийском школе-семинаре "Люминесценция к сопутствующие яв-

лети" (Иркутск, 1997), первом Всероссийском симпозиуме, по твердотельном детекторам ионизирующих излучений (Екатеринбург, 1997).

(Збъсм и структура диссертационной паботы. Диссертация состоит да введения, пяти глав и заключения. Содержит 162 страницы, в том числе 122 машинописного текста, 53 рисунка, 6 таблиц и -библиографию из 215 наименований.