Исследование электронных ловушек в гамма-окрашенных щелочно-галоидных кристаллах в инфракрасном диапазоне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Р Г б 01>ОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

1 1\ МР 1П?В_

На правах рукописи

ЛЕБЕДКИНА Татьяна Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛОВУШЕК В ГАММА-ОКРАШЕННЫХ ЩЕЛОЧНО-ГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛАХ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ

Специальность 01.04.07- физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1998

Работа выполнена в Институте физики твердого тела РАН

Научный руководитель -кандидат физико - математических наук Е.В. Коровкин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук С.З. Шмурак, доктор физико-математических наук Е.Б. Якимов

Ведущая организация -Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ

Защита состоится " " 1998 г. в Ю час,

на заседании специализированного совета Д.003.12.01 при Институте физики твердого тела РАН по адресу: 142432, Московская область, Ногинский район, п. Черноголовка, ИФТТ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердого тела РАН.

Автореферат разослан МС^уЬ 1998 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор

физико-математических наук В. Н. Зверев

Институт физики твердого тела РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Свойства реальных кристаллов во многом определяются наличием в них дефектов различного типа. Воздействия дефектов на кристаллы многообразны, например, они влияют на цвет, проводимость и прочность. Известно [1], что оптическое возбуждение Р-центров и Р-агрегатных центров в окрашенных щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК) приводит к возникновению полос поглощения в видимом и инфракрасном диапазоне. Многие из них хорошо изучены и связаны с уже известными электронными ловушками. Но существует отличительный класс электронных ловушек, свойства которых практически не исследованы [2]. Поэтому заслуживают внимания исследования оптических свойств кристаллов, обусловленных этими ловушками.

Актульность проведенной работы не сводится, однако, к выяснению природы неизученных ловушек, но имеет и более общий аспект. Согласно теоретическим представлениям [3], в ионных кристаллах носители находятся в поляронном состоянии. Несмотря на то что теория поляронов не только хорошо разработана для классического случая ионных кристаллов, но и широко используется в смежных областях науки, экспериментальная проверка ее предсказаний существенно отстает. Представляет интерес изучение поляронных эффектов в окрашенных ЩГК, в которых можно получать необходимую концентрацию носителей путем освобождения электронов из Р-центров, например, при облучении светом.

Цель работы.

- исследование спектров ИК-фотопроводимости и оптического поглощения, стимулированных Р-светом в у-окрашеннах кристаллах ЩГК;

термоактивационный анализ электронных ловушек, ответственных за эти спектры;

Научная новизна. Впервые получены следующие результаты:

- обнаружена двухступенчатая ИК-фотопроводимость, стимулированная Р-светом в у-окрашенных ЩГК;

- обнаружена модуляция спектров с частотой оптического продольного фонона;

-расчитана и исследована экспериментально кинетика эффекта двухступенчатой ИК-фотопроводимости;

-на основании исследований термоактивации установлено, что электронные ловушки, ответственные за ИК-фотопроводимость и ИК-поглощение, стимулированные Р-светом, не однородны.

Научная и практическая значимость. Изучение природы дефектов, возникающих при облучении кристаллов, является одним из центральных вопросов радиационной физики и имеет большую важность для электроники твердого тела. Проведенные исследования свидетельствуют о существовании неизвестных ранее центров окраски в ЩГК. Исследованные электронные ловушки проявляют свойства, аналогичные свойствам, предсказанным для малых поляронов. Это позволяет наметить направления экспериментальной проверки теории поляронов для случая ионных кристаллов. Интересно также отметить, что экспериментально наблюдаемые спектры промодулированы с частотой оптического продольного фонона, как можно было ожидать для малых поляронов вследствие взаимодействия электронов и фононов. Это приводит к независимому способу определения частоты оптических фононов по спектру фотопроводимости.

Результаты, выносимые на защиту. Обнаружена и исследована двухступенчатая фотопроводимость у-окрашенных ЩГК при облучении Р- и И К- светом. Показано, что обнаруженная фотопроводимость обусловлена теми же ловушками, что и наблюдавшееся ранее оптическое поглощение, стимулированное Р- светом. Установлено существование нескольких типов электронных ловушек, вызывающих двухступенчатую фотопроводимость и оптическое поглощение. Форма спектров и их температурная зависимость согласуются с теоретическими предсказаниями для малых поляронов.

Апробация работы. Результаты исследований, вошедших в диссертационную работу, представлены на XII Международной конференции по дефектам в диэлектриках в 1992 году в Германии.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы исследованияА сформулированы цель диссертационной работы, научная и практическая значимость диссертации и ее краткое содержание.

В первой главе представлен обзор литературы, который посвящен проблемам, связанным с процессом окрашивания ЩГК, теории центров окраски в ЩГК и их свойств, а также рассмотрению электрона проводимости в диэлектриках с ионной кристаллической решеткой (теория поляронов) и возможности наблюдения поляронов в окрашенных ЩГК.

При облучении щелочно-галоидных кристаллов у-лучами образуются пары электрон в зоне проводимости и дырка в основной зоне, а также вакансии, ионы в междоузлиях и другие радиационные дефекты. Большая часть пар электрон - дырка рекомбинируют с излучением кванта света, при этом наблюдается люминесценция. Меньшая часть электронов и дырок захватывается точечными дефектами, образуя, соответственно, электронные и дырочные центры окраски. Электроны, локализованные на анионных вакансиях, образуют Р-центры. Фотохимическую реакцию образования Р-центра при облучении можно объяснить с помощью следующей двухступенчатой схемы:

1. Г + Иу -» Г° + е - ион галоида Г, находящийся в узле решетки, поглощает квант, в результате он теряет электрон и становится атомом галоида Г° , переходя при этом в междоузлие. Освободившийся электрон, перемещаясь в решетке, встречает анионную вакансию В" и захватывается ею, образуя Р-центр:

з

2. В" + е F.

De Boer предложил простую модель F-центра в виде электрона, захваченного анионной вакансией [4]. В этой простой теории, из которой, однако, можно получить важные выводы, F-центр рассматривается как электрон с массой т0, который захвачен кулоновским потенциалом, экранированным средой с оптической диэлектрической проницаемостью Таким образом, уровни энергии и волновые функции F-центра можно легко получить с помощью их значений для атома водорода. При этом постоянная Ридберга уменьшается в раз, а боровский радиус

увеличивается в г«, раз. Доминирующим оптическим переходом будет аналог перехода 2S-»ZP, обладающий энергией

ДЕН ~ (3/4)Еоо"2 ридберг. Эта оценка соответствует видимому диапазону света и согласуется с наблюдениями.

В 1971 году Borms и Jacobs [2] обнаружили новую полосу поглощения в инфракрасной области в окрашенных ЩГК. Они предположили существование электронных ловушек, ответственных за эту полосу поглощения, и назвали их le-ловушками. В 1985 году G.Jacobs опубликовал работу" по исследованию 1е -центров методом фотопоглощения в у-облученных кристаллах NaCI, KCl, КВг и RbCI [4]. Согласно этой работе, 1е-центры образуются, захватывая электроны, покидающие возбужденный F-центр. В аддитивно окрашенных кристаллах KCl 1е-центры этими исследователями не были обнаружены. Природа этих центров осталась невыясненной. Исследованию такого типа электронных ловушек и была посвящена диссертационная работа.

Особое внимание уделено в первой главе обзору работ по теории поляронов. В работах Пекара [3] была развита теория поляронов большого радиуса (больше постоянной решетки) с сильным электрон-фононным взаимодействием. Особый интерес представляет теорема, которая отражает соотношения между характерными значениями энергии в состоянии кристалла с автолокализованным электроном. Из этой теоремы можно сделать вывод, что процесс фотодиссоциации полярона должен

инициироваться фотонами с энергией ЗН. Наиболее прямое подтверждение существования большого полярона было получено в работе [6], где с помощью циклотронного резонанса измеряли эффективную массу и подвижность поляронов в кристаллах KCl, КВг, KI и RbCl.

В работе Александрова и Капельмана [7] рассмотрено влияние поляронных состояний на частоту фононов в кристалле с сильной электрон-решеточной связью. Авторы показали, что полярон-фононное взаимодействие приводит к смягчению фононной частоты и затуханию, которые не зависят от температуры в широкой температурной области.

В работе Loos и Straka [8] состояние решетки с локальной деформацией в месте, занятом избыточным электроном, описывается когерентным состоянием решеточного осциллятора в этом месте ( см. также [9]). В этой работе расчитана спектральная характеристика инфракрасного поглощения малого полярона (радиус полярона меньше постоянной решетки) и ее изменения в зависимости от температуры. Спектр поглощения малого полярона должен представлять собой максимум с положением, равным двум энергиям связи 2Н ( см. также [11] ). Проверка этих результатов на практике до настоящего времени носит единичный характер. Экспериментальные трудности связаны с тем, что примеси и другие дефекты решетки, приводящие к образованию ловушек, ограничивают время жизни свободных носителей. Ловушки играют особенно заметную роль в тех веществах, где должны быть заметны поляронные эффекты, а именно в щелочно-галоидных кристаллах, в которых электрон-решеточное взаимодействие достаточно сильно и соответствует случаю промежуточной связи.

Во второй главе кратко описаны объекты исследований и экспериментальные методики.

Исследования проводились на образцах, изготовленных из окрашенных монокристаллов NaCI, KCl и КВг. Приготовление образцов NaCI осуществлялось следующим образом. Первоначально большой блок монокристаллического NaCI (содержание примесей меньше 0.001%) был облучен у-лучами до

108 рад. При этой дозе облучения значительно увеличивается твердость материала, что облегчает его раскалывание. Затем из него выкалывались образцы размерами 4x8x12 мм3 для оптических измерений или 4x4x12 мм3 для измерений фотопроводимости. Изготовленные образцы отжигались и затем снова облучались до 107 рад. После этого концентрация Р-центров в кристаллах МаС1 достигала значения 1017 см"3

Кристаллы КС1 и КВг облучались до 5-Ю6 - 3-107 рад. Все образцы КС1 и КВг, используемые в экспериментах, выкалывались в виде параллелепипедов размерами 4x4x12 мм3.

Для проведения экспериментов при низких температурах (4,2-ЮОК) использовался гелиевый оптический криостат. Температура внутри криостата контролировалась с помощью вмонтированного рядом с образцом термосопротивления и маностата, который поддерживал установленную температуру. Для создания электрического поля к образцу прикладывалась постоянная разность потенциалов (350 - 400 В) от источника постоянного напряжения, позволяющего менять направление электричекого поля на обратное. Каждое измерение повторялось при обратном направлении поля для предотвращения поляризации образца. Фототок в образце, возникающий под воздействием инфракрасного (X = 1н-5 мкм) и Р-света (X = 480-^520 нм), регистрировался электрометром с большим входным сопротивлением.

Внешние "теплые" окна криостата были изготовлены из флюорита, а внутренние "холодные" - из сапфира, что позволяло проводить эксперимент как в видимой области света, так и в инфракрасной области до 5 мкм. Чтобы избежать непреднамеренную засветку образца фоновым комнатным инфракрасным излучением, в криостат были вмонтированы специальные охлаждаемые газообразным гелием заслонки. Они открывались только на время освещения образца светом.

Методика измерений спектральной характеристики ИК-фотопроводимости состояла в следующем:

1. При отключенном электрометре и источнике постоянного напряжения (во избежание поляризации) образец облучался интенсивным Р-светом в течении 15 с.

2. Затем следовала пауза 15 с.

3. Проводилось измерение фототока под действием монохроматического импульса ИК-света длительностью 5-7 с.

4. После этого опять при отключенном электрометре и источнике постоянного напряжения проводилось облучение образца интенсивным ИК-светом в течении 5-10 с.

Далее вся процедура повторялась, но измерение фототока проводилось при другой полярности источника постоянного напряжения, что позволяло, избежать постепенную поляризацию образца.

Затем переходили к измерению на другой длине волны ИК-света, повторяя весь описанный выше цикл. Результат нормировался на интенсивность падающего на образец ИК-света соответствующей длины волны. В зависимости от длины волны инфракрасного света устанавливалась различная щель на выходе спектрометра ИКС-21:

I. 1.5 ч-2.0 мкм---------------------0.4 мм

II. 1.93 ч- 3.0 мкм------------------0.5 мм

III. 2.9 + 3.7 мкм------------------0.75 мм

IV. 3.6 ^ 5.0 мкм-------------------1.0 мм

Это позволяло сохранять разрешение не хуже 50 нм на коротковолновом участке диапазона и 35 нм на длинноволновом участке и поддерживать при этом максимально возможную интенсивность света. Неточность сшивки двух диапазонов примерно равна ошибке измерений на сшиваемых концах этих диапазонов.

Вся оптическая система заключалась в закрытый объем, который продувался сухим азотом, что позволяло избавиться от линий поглощения паров воды и углекислого газа. Однако, наличие гидроксильных групп в материале используемой призмы спектрометра ИКС-21 не позволило выполнить корректные измерения в интервале 2.6 -ь 2.9 мкм.

Часть экспериментов по исследованию инфракрасного оптического поглощения в у-облученных кристаллах МаС1, КС) и КВг были проведены с использованием Фурье-спектрометра "Брукер".

В третьей главе представлены результаты исследований.

При исследовании низкотемпературной (4.2н-70К) фотопроводимости в гамма-облученных кристаллах №С1 было обнаружено, что в то время как один инфракрасный свет не вызывает сколь-нибудь заметной фотопроводимости, суммарное воздействие ИК-света и Р-света, то есть света, вызывающего возбуждение Р-центров, приводит к фотопроводимости в несколько раз большей, чем под действием только одного Р-света. Естественно было предположить, что данное явление связано с наличием ловушек, захватывающих электроны с возбужденных светом Р-центров и способных терять их под действием ИК-света с переходом в зону проводимости. Поскольку электроны, покидающие Р-центры, дают сравнительно небольшой вклад в фотопроводимость при столь низкой температуре, так как передвигаются на небольшие расстояния за счет туннелирования, то последующий переброс даже небольшого количества этих электронов в зону проводимости может привести к значительному увеличению фототока.

Оказалось, что заполняемые электронами ловушки способны достаточно долго сохранять электроны и легко отдавать их под действием инфракрасного света. Варьируя интервал времени между импульсами интенсивного Р-света и ИК-света было обнаружено, что сигнал ИК-фотопроводимости заметно падал за время около 30 минут. Это уменьшение наблюдалось при всех температурах в диапазоне 25 - 65 К. После вмонтирования в криостат специальных охлаждаемых газообразным гелием заслонок, которые препятствовали непреднамеренной засветке образца фоновым комнатным инфракрасным излучением, было обнаружено, что ИК-центры не теряют электроны в течение 50 мин в указанной области температур. В диапазоне температур 74 - 85 К происходит резкое уменьшение времени жизни ИК-центров с 50 минут при 74 К до

106 секунд при 85 К. Энергия активации Н термического разрушения ИК-центров, определенная в этих экспериментах, равна 0.164 ± 0.013 эВ. Оценка постоянной времени т0 в зависимости т = т0ехр(Н/кТ) дает значение т0= (3.4-И40) 10 "9 сек.

Исходя из наличия электронных ловушек, способных отдавать электроны, была рассмотрена кинетика двухступенчатой ИК-фотопроводимости. Для этого было сделано предположение, что под действием ИК-света электроны с ловушек переходят в зону проводимости. Потеря же электрона ?-центром осуществляется при столь низких температурах туннелированием на близлежащие ловушки (по оценкам это расстояние порядка 100 А [10]). Расчитанные кривые находятся в хорошем согласии с экспериментом, что подтверждает сделанное предположение.

Способность электронных ловушек достаточно долго сохранять заряд и легко отдавать его под действием инфракрасного света позволила исследовать их спектральную характеристику в у-окрашенных кристаллах №аС1 в диапазоне А=1.5 5 мкм. Спектр фотопроводимости имеет сложную форму с максимумом при 0.53 + 0.03 эВ. Он промодулирован пиками, которые расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Это расстояние составляет 35.44 мэВ ± 0.4%, что соответствует частоте продольного оптического фонона.

Эти данные следует сопоставить со спектром оптического поглощения в №С1, стимулированного Р-светом и представляющего собой широкий пик с максимумом при 0.32 ±

0.03 эВ, промодулированный несколькими более узкими пиками с интервалами между ними приблизительно 31.6 мэВ ± 0.7%.

Чтобы определить принадлежат ли оба спектра одному объекту, были выполнены следующие два эксперимента.

1. Если, создав определенную концентрацию заполненных ловушек, пропускать через образец ИК-свет, то можно видеть, как образец просветляется под действием света. Скорость этого просветления при одинаковой интенсивности ИК-света будет зависеть от длины волны к. Следовательно, можно снять спектральную зависимость скорости просветления - спектр

оптического опустошения ИК-ловушек, индицируемых по спектру поглощения. Эта зависимость состоит из двух слагаемых: спектрально-независимой части, обязанной своим происхождением непреднамеренной ИК-подсветке и собственно интересующей нас спектрально-зависимой части.

Как показали измерения, спектр оптического опустошения хорошо совпадает со спектром фотопроводимости. Такое совпадение является доводом в пользу того, что спектр фотопроводимости (это, фактически, спектр оптического опустошения неких ИК-ловушек, но индицируемый по фотопроводимости) и спектр оптического поглощения принадлежат одному объекту.

2. По оптическому поглощению можно определить изменение концентрации электронных ловушек с изменением температуры. Энергия активации, полученная в этом эксперименте, равна 0.163 ± 0.034 эВ, что совпадает с энергией активации, определяемой из результатов по фотопроводимости. Этот факт также подтверждает, что спектры фотопроводимости и оптического поглощения принадлежат одному и тому же объекту.

Аналогичные спектры ИК-фотопроводимости и оптического поглощения наблюдались и на кристаллах КС1 и КВг. Для этого была осуществлена модернизация методики регистрации ИК-фотопроводимости, повысившая точность измерений. Эксперименты проводились при температуре 9 К. Как и в случае №С1, спектры фотопроводимости в КС1 и КВг промодулированы пиками, расстояние между которыми составляет с точностью не хуже 1% 26.78 мэВ для КС! и 21.08 мэВ для КВг, что согласуется с литературными данными для энергии Ю-фононов. Как и для ЫаС1, аналогичные оценки по спектрам оптического поглощения (ОП) дают несколько более низкие значения: 24.80 мэВ и 20.0 мэВ, соответственно (оценка для КВг получена по данным работы [5]). Отметим, что эти значения также находятся в пределах данных, приводимых разными авторами для энергии Ю-фононов.

На образцах КС1 было проверено, существует ли зависимость спектра оптического поглощения от

предварительного, до гамма-облучения, отжига образцов (обычная для большинства образцов процедура), а также от пластической деформации (степень деформации 10 %) непосредственного перед измерением. Никакого влияния вводимых при росте кристаллов или деформировании точечных дефектов и дислокаций на спектр поглощения не было обнаружено.

Температурная зависимость спектра оптического поглощения электронных ловушек в длинноволновой области в кристаллах NaCI, KCl и КВг исследовалась с использованием Фурье-спектрометра "Брукер". Температурная зависимость имеет двухстадийный характер: низкотемпературный участок (4,2 * 22 К) характеризуется атермичностью спектра, на высокотемпературном участке (до 90 К для NaCI и до 70 К для KCl), амплитуда осцилляций уменьшается с ростом температуры до полного исчезновения. Дальнейшее увеличение температуры приводит к изменению амплитуды всего пика ИК-поглощения без изменения его формы. Для NaCI, начиная с Т = 30 К наблюдается рост амплитуды. При Т = 80 К достигается максимум (превышающий на 50% начальную величину), затем амплитуда пика падает до нуля. Максимальная скорость падения достигается в интервале 85 - 90 К. Для кристаллов KCl и КВг рост амплитуды пика не наблюдался. Максимальная скорость спада соответствовала 120 - 130 К для KCl и 40 - 50 К для КВг.

Изучение термического опустошения в кристаллах KCl и КВг было проведено в широком диапазоне температур, что позволило сделать важный вывод о возможности существования нескольких типов электронных ловушек, дающих разный вклад в ИК-спектры. Действительно, экспериментальные кривые оказалось нельзя описать одной кривой экспоненциального распада. Неудачной оказалось также попытка описать процесс гиперболической зависимостью, как было предложено авторами работы [5] -характер кривой существенно зависел от длины волны тестирующего света, что указывало на наличие нескольких типов ловушек с различными спектрами фотоионизации. Поэтому была предпринята попытка представить полученные данные как сумму

двух или более экспонент, то есть предполагалось, что кроме ловушек, дающих основной вклад в спектры (далее ловушки а-типа), существуют другие ловушки, которые также заполняются при возбуждении F-центров F-светом и разрушаются ИК-светом или термически, но с другой энергией активации. Оказалось, что в кристаллах KCl, помимо ловушек а-типа, существуют также ловушки с другой энергией активации (ловушки b-типа) и ловушки с-типа, которые практически стабильны в исследованном диапазоне температур (105-122 К). В кристаллах КВг, наряду с ловушками а-типа существуют еще три разновидности электронных ловушек: Ьгтип, Ь2-тип и с-тип, ловушки которого стабильны при температурах меньше 110 К.

Количественные данные для всех кристаллов, использованных в исследованиях, суммированы в таблице. Здесь Е(ОП) - положение максимума спектра оптического поглощения первоначально обнаруженных электронных состояний (ловушки а-типа), Е(ФП) - положение максимума спектра фотоионизации

NaCI KCl КВг

Н(а) (эВ) 0.164 0.303 0.125

Е(ОП) (эВ) 0.32 0.36 0.32

Е(ФП) (эВ) 0.53 0.71 0.57

ЦОП) (мэВ) 31.60 24.80 20.0 [5]

ЦФП) (мэВ) 35.44 26.78 21.08

А (%) 10.8 7.4 5,2

Н(Ь,) (эВ) 0.18 0.026

Н(Ь2) (эВ) 0.017

этих состояний, ЦОП) и ЦФП) - энергия оптического фонона, полученная, соответственно, из спектров оптического поглощения и фотоионизации, Д = (ЦФП)-ЦОП))/ЦФП) характеризует

смягчение фононных мод, H{bj) - энергия активации электронных ловушек b - типа.

Четвертая глава посвящена обсуждению полученных результатов и анализу предполагаемых моделей электронных ловушек, ответственных за двухступенчатую фотопроводимость, ИК-фотопроводимость и ИК-поглощение, стимулированные F-светом.

Рассмотрим свойства исследуемых электронных ловушек.

Форма спектра оптического поглощения электронных ловушек в ИК-области для всех исследуемых кристаллов представляет собой широкий максимум, вершина и низкочастотный склон которого имеют осциллирующую структуру в виде системы отчетливых равноотстоящих пиков. Положение этих пиков описывается формулой со = псо0, где со0 - частота продольного оптического фонона. Положение максимума оптического поглощения, наличие периодических осцилляции на низкочастотном его склоне, их период, и, наконец, изменение формы спектра оптического поглощения с температурой находится в хорошем согласии с теорией оптического поглощения малого полярона [8]. Кроме этого, экспериментально наблюдаемая форма спектра поглощения, а именно то, что поглощение в низкочастотной части спектра по отношению к положению пика больше, чем в высокочастотной части, также характерно, согласно расчетам Emin [11], для спектра поглощения малого полярона.

Спектры фотопроводимости во всех исследуемых кристаллах ЩГК также демонстрируют фононные линии. При этом, как уже упоминалось, для всех кристаллов частота LO-фонона, измеренная по спектру оптического поглощения, меньше соответствующего значения, полученного из спектра фотопроводимости (см. табл.). Этот результат качественно согласуется с теоретическими расчетами [7] смягчения фононных мод, обусловленного полярон-фононным взаимодействием. Теория была построена для случая сильной электрон-фононной связи, что является еще одним доводом в пользу гипотезы о том,

что наблюдаемые электронные состояния проявляют свойства малых поляронов.

Согласно теории Пекара [3], процесс фотодиссоциации большого полярона должен инициироваться при fico=3H. Спектр поглощения малого полярона должен представлять собой максимум с положением, равным двум энергиям связи 2Н. Эти соотношения удовлетворительно выполняются для кристаллов NaC! и КВг. Теория Пекара построена для случая большого полярона и сильной связи. Таким образом, электронные ловушки в кристаллах КВг и NaCI проявляют некоторые свойства поляронов большого радиуса, хотя, как следует из больших времен жизни ловушек, они локализованы. Измеренные энергии связи с дефектами, на которых ловушки локализованы, малы, поэтому можно полагать, что ее влияние на свойства ловушек незначительно. То, что электронные ловушки проявляют свойства как малого так и большого полярона, вообще говоря, не удивительно, так как по теоретическим оценкам величина электрон-фононного взаимодействия для ЩГК имеет промежуточные значения, а радиус полярона приблизительно равен постоянной решетки.

Существует несколько моделей исследуемых электронных ловушек. Одна из них предложена в работе Jacobs [5]. Известно, что при захвате электрона (полярона) F-центром образуется Р-центр, имеющий достаточно большой радиус (г ~ 50-И00 А). Если в кристалле найдутся несколько F-центров (2 и более) с меньшим расстоянием между ними, то захваченный электрон (полярон) не сможет принадлежать какому-либо одному из этих F-центров, а вынужден будет принадлежать всему кластеру. Можно предположить, что свойства дополнительного электрона (полярона), захваченного таким кластером, будут мало зависеть от характеристик кластера, например от количества содержащихся в нем F-центров, и они смогут единообразно участвовать в формировании спектральных характеристик фотопроводимости, оптического поглощения и энергии термической активации. Естественно ожидать, что эти характеристики будут соответствовать характеристикам

полярона, локализация которого спасает его от захвата на более глубокие ловушки и обеспечивает таким образом большое время жизни и, следовательно, возможность накопления в больших концентрациях. Это, наряду с большой силой осциллятора, может обеспечить сильное оптическое поглощение. Узким местом данной модели является само предположение о том, что электрон, захваченный кластером, может проявлять свойства полярона, а также вопрос о том, достаточна ли концентрация этих образований, чтобы обеспечить наблюдаемую большую величину оптического поглощения.

Schneider [12] предлагает модель, в которой ловушка представляет собой примесь другого катиона в кристалле. В его экспериментах оптическое поглощение растет с увеличением концентрации примеси. Однако максимум поглощения соответствует температуре 170 К, в то время как в наших экспериментах и исследованиях Jacobs максимальное поглощение наблюдается при низких температурах. Более того, Jacobs обнаружил уменьшение оптического поглощения с ростом концентрации примесей [5]. Еще одно существенное рахождение в экспериментах касается вопроса о существовании электронных ловушек в аддитивно окрашенных кристаллах. В своих первых работах Schneider и Jacobs наблюдали поглощение, стимулированное F-светом, в аддитивно окрашенных кристаллах. Однако в последней работе Jacobs приводит противоположные данные и предлагает в качестве модели ловушек дырочный Vk-центр. Сравнение результатов Schneider и Jacobs наводит на мысль, что они наблюдали разные электронные ловушки. Как следует из наших экспериментов, исследуемые электронные ловушки не однородны. При низких температурах преобладает поглощение ловушек а-типа, которые практически все опустошаются при температуре 170 К. Таким образом, вопрос о природе исследованных ловушек остается открытым. Новую информацию, которая могла бы пролить свет на этот вопрос, должны дать, например, систематические исследования электронных состояний в аддитивно окрашенных ЩГК.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обнаружена двухступенчатая ИК-фотопроводимость в у-окрашенных кристаллах ЩГК. Это явление объясняется наличием в этих кристаллах электронных ловушек, которые захватывают электроны с возбужденных Р-центров и отдают их под действием инфракрасного света.

2. Исследована спектральная характеристика двухступенчатой ИК-фотопроводимости. Обнаружено, что спектр промодулирован равноотстоящими друг от друга пиками, растояние между которыми приблизительно равно частоте оптического продольного фонона.

3. Расчитана кинетика двухступенчатой ИК-фотопроводимости. Теоретические кривые находятся в хорошем согласии с экспериментом.

4. Показано,что ИК-поглощение, стимулированное облучением Р-светом, соответствует поглощению электронных ловушек, ответственных за двухступенчатую ИК-фотопроводимость.

5. Обнаружено уменьшение частоты продольного оптического фонона в опытах по оптическому поглощению по сравнению с данными, полученными из спектра фотопроводимости. Это согласуется с предсказаниями теории для систем с сильным электрон-фононным взаимодействием, а именно для малых поляронов.

6. Показано, что форма спектра ИК-поглощения и ее изменение в зависимости от температуры качественно соответствует спектру ИК-поглощения малого полярона, расчитанного теоретически.

7. В исследованиях по термоактивации электронных ловушек в КС1 и КВг обнаружены другие электронные состояния, которые также заполняются при облучении кристалла Р-светом и освобождаются под действием ИК-света.

8. Проведен анализ возможных моделей электронных ловушек.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Е.В. Коровкин, Т. А. Лебедкина. Двухступенчатая фотопроводимость в гамма-облученных кристаллах NaCI при низкой температуре, ФТТ, 29 (1987) 2807-2809.

2. Е.В. Коровкин, Т.А. Лебедкина. Кинетика F-стимулированной инфракрасной фотопроводимости в окрашенных кристаллах NaCI, ФТТ, 33 (1991) 120-123.

3. Е.В. Коровкин, Т.А. Лебедкина. Спектр F-стимулированной фотопроводимости в окрашенных кристаллах NaCI, ФТТ, 33 (1991)2483-2485.

4. Е.В. Коровкин, Т.А. Лебедкина. F-стимулированное инфракрасное поглощение в окрашенных кристаллах NaCI, ФТТ, 33(1991)2807-2809.

5. Е.В. Коровкин, Т.А. Лебедкина. Инфракрасное оптическое поглощение в окрашенных кристаллах NaCI, KCI и КВг, ФТТ, 35 (1993) 642-647.

6. Korovkin E.V. and Lebedkina Т.А., Infrared studies of localized polarons in y-irradiated alkali-halide crystals. Proceedings of the XII International Conference on Defects in Insulating Materials, Schloss Nordkirchen, Germany, August 16-22, 1992, edited by O.Kanert and J.-M.Spaeth, World Scientific, Singapure, v.2, pp. 859-862.

7. Е.В. Коровкин, Т.А. Лебедкина. Спектры ИК-проводимости поляронов в кристаллах KCI и КВг, ФТТ, 37 (1995) 3536-3539.

8. Е.В. Коровкин, Т.А. Лебедкина. Исследования термоионизации поляронных состояний в KCI, ФТТ, 38 (1996) 3327-3332.

9. Е.В. Коровкин, Т.А. Лебедкина. Исследования термоионизации поляронных состояний в кристаллах КВг, ФТТ (направлена в печать).

Цитированная литература:

1. Ф.М. Стоунхэм, Теория дефектов в твердых телах., М., Мир, 1978.

2. F. Borms, and G. Jacobs, Phys. Stat. Sol. (b) 43, 283 (1971).

3. С.И. Пекар, ЖЭТФ 16, 341 (1946).

4.1.H. de Boer, Rec. Trav. Chim. Pays-Bas 56, 301 (1937).

5. G. Jacobs, Phys. Stat. Sol. (b) 129, 755 (1985).

6. J.W. Hodby, J .A. Borders, F.C. Brown, and S. Foner, Phys. Rev. Lett. 19, 952(1967).

7. A.S. Alexandrov, and H. Capellman, Phys. Rev. B 43, 2042 (1991).

8. J. Loos, and J. Straka, Czech. J. Phys. B 39 (1989).

9. J. Loos, Z. Phys. B., Condens.Matter. 71,161 (1989).

10. W. Beall Fowler, Phys. Rev. 135, N 6, 1725 (1964).

11. D. Emin, Phys. Rev. B 48, 13691 (1993).

12.1. Shneider, Solid State Comm. 25, 1027 (1978).

Отпечатано TOO «Принт» г. Ногинск Тел. (8-25I) 5-29-51