Излучательный и безизлучательный распад электронных возбуждений в кристаллах галогенидов цезия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



/

IIa правах рукописи

ГЛФИАТУЛШ1А Клена (Пушиовпя

Il LIVЧЛТК.1Ы1ЫП It ЬКИ.НЛУЧАТКЛЬИЫП РАСПАД кшспчшиых но'шуждкниП

a КРИСТАЛЛАХ ГАЛО! КНИДО» ЦЕ'ШЯ

('пеииалыюсчi. 01 04 К) - фи шка полупроводников ip/ymciapiiKon

Л НТО PI-Ф Iii» AT дисссрищин на соискание ученой cteiiciiH каилн/ша фимко-мжематичсских наук

■Томск-1998

Работа выполнена «а кафедре лазерной и световой техники Томского политехнического университета - ТПУ

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Лисицын В.М., доктор физико-математических наук.

профессор Яковлев В.Ю.

Официальные оппоненты: доктор флзнко-магеыатнчсских наук,

профессор Лопатим В. В

каЗщидат физико-математических наук,

с.н.с. Гриценко Б.П.

Ведущая организация - Кемеровский Государственный университет

Защита состоится 6 ноября 1998 года .в ¡5 ч 00 шш на заседании диссертационного совета Д.063.80.07 при Томском политехническом университете ( 634034, г.Тоыск, пр-Лешша, 30, ТПУ)

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ТПУ

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интерес исследователей к изучению радиационных |ффекгов в твердых телах связан с решением таких практических задач, как юиск и разработка материалов с различной чувствительностью к воздействию адиацин для использования в технике и технологии, дозиметрии. Основной адачей исследований в области радиационной физики твердого тела является глублеине и расширение имеющихся знаний о радиационных процессах и ме-аннзмах 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-(дающим ионным типом связи модельными являются шелочно-гаяоидные >ис галлы (ЩГК). Эти кристаллы имеют достаточно простую структуру реет кн, могут быть получены высокого совершенства. С использованием высокоинформативного метода люминесцентной и аб-рбционной спектрометрии с временным разрешением (ЛАСВР) получен це-|й ряд важнейших результатов для физики радиационного дефектообразоаа-1я в ионных кристаллах. К их числу относятся данные Виллнямса и Каблера >70) по исследованию энергетической структуры двухгалоидных гзталока-юванных экситомоз (ДАЛЭ). установление того факта, что генерация Р-Н р происходит из более высоких экентонных состояний, чем я- и о - нзлуча-1ьиые состояния автолокалиэованных экситонов (АЛЭ) (Кондо и др., 1972). ло показано, что Р-Н пары можно разделить на неустойчивые, которые анпи-шруют по экспоненциальному захону, н стабильные, разрушение которых жеходнт по более сложному закону (Хираи, 1971), и что их образование 1 исходит по разным законам Карасава, 1976). Полученные совсем недавно мые по измерению кинетики создания Р-центроа при возбуждении лазер-пи импульсами фемтосекундной длительности показали, что Р-цеигры »мнруются за 15-20 пс(Сугкямаи др., 1996).

Большинство работ выполнено на ПИК со сгруктурой каменной соли. Следует отмстить, что явно недостаточно изучены процессы распада электронных возбуждений (ЭВ) на структурные дефекты п кристаллах i алогенилов пе чи» -Csl, CsBr, CsCI,- имеющих простую кубическую решетку, что не позволяет в полной мерс судить о той роли, которую окатывает структура решетки на процессы дефектообразоваиня о шел очно-галоидных кристаллах К насюяшему времени остается большой круг нерешенных вопросов, связанных с представлениями о механизмах протекания радиационио-индунированных процессов в 1ЦПС типа CsCI. Так, например, хотя йодил цезия и широко применяется о скоростных сцинтндляторах, 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 ЩГК с решеткой типа CsCI, при импульсном электронном облучении с «елью выявления общих закономерностей образования дефектов в этих кристаллах.

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

1. Исследовать спектральные и кинетические характеристики центров поглощения и свечения в ЩГК с простой кубической решеткой при ра curmi,i\ режимах импульсного электронною облучения, с целью «шивденяя факторов, влияющих на механизмы генерации и аннигиляции дефектов.

2. Установить особенности протекания процессов распада 'Mi с рождением дефектов, а также особенности маимодействия дефектов «исжлу собой, в кристаллах галогенидов цезия, на примере Cslîr, лрсдвар»исльно окрашенных серией электронных импульсов.

Научная новизна. I 11 снекте переходною «нч.юшенич .криекм.та Csl при 80 К обнаружена новая полоса с максимумом при 3 1 >Н и хоанов icna ос

Г'" .

связь с переходами в дырочном компоненте АЛЭ со структурой- Хз". На основании данных анализа спектрально-кинетических свойств люминесценции и Наведенного переходного поглощения сделано заключение о.том, 'гго в кристалле Сб! ядро авталокализопашгых экситоноа может иметь две конфигурации, - двух- и трехгалоидную.

2. Получены прямые экспериментальные результаты, показывающие, что создаваемые в кристалле СбС1 триплетиые АЛЭ и короткоживущие Р,Н 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" Р-Н поры дефектов можно рассматривать, следовательно, ках одну га структурных морфологнП триплеты* АЛЭ.

3. Впервые, с использованием техник»» двойного каскадного возбуждения кристаллов СвПг, выполнены количественные оценки выхода триплетных АЛЭ из реакции (Ук+е)-рекомбнпацш!. Показано, что оптическая стимуляция реакций рекомбинации электронов с заранее созданными V* центрами приводит* образованию триплетных АЛЭ с квантовой эффективностью, значительно (более чем вдвое) превышающей их выход в случае зона-зоинЬй рекомбинации. Сделан вывод о существовании в облученных ионизирующей радиацией кристаллах эффективного ксихпа бе-лллучательноЛ рекомбинации электронов с дырками на ранннх стадиях автолокализации, конкурирующего с реакцией (Ук+е) и ведущего к снижению выхода триплеттах АЛЭ.

4. Установлено, что полосы собственной люминесценции кристалла С&С1 с максимумами при 4.6 и 5.2 эВ имеют различную природу: коротковолновая полоса с максимумом при 5.2 эВ обусловлена излучательной аннигиляцией двухгалондных АЛЭ из возбужденного синглетиого состояния, а свечение при 4.6 эВ - остовио-валеитными переходами.

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

Се!, связанный с созданием трехгалондного "оГГ-ссШсг" АЛЭ и последующей его излучателыюй аннигиляцией.

6. На примере кристалла СвВг показано, что создание АЛЭ п наинизшем триплетном состоянии возможно не только в результате релаксации свободного экентона или при рекомбинации электрона зоны проводимости с автолока-лнзованной дыркой, по л при туннельном переносе электрона Р-центра на свободные уровнн У^-цеатра.

7. Температурный рост выхода пространственно разделенных Р- н Н-центро» обусловлен процессом термоактипнро ванного распада экситонов из нашшз-ших релакеированнмх состояний. В кристалле С$С1 релаксированиыми состояниями являются трнплетные АЛЭ и "тесные" Р-Н пары, а в кристалле Сб1 - двухгалоидмыс, трехгалоидные "оп-" и 'ЫГ-сс1«ег"'экситоиы.

Аптоп •шцшцаот. 1. Особенности радиацнонно-стимулнрованных явлений и чистых кристаллах Сэ!: высокая сцинтчлляцнонная эффективность при температурах вблизи комнатной, низкий выход радиационных дефектов вызваны тем, что автолокашзованные 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, увеличения вклада стабильного компонента в кинетику релаксации оптической плотности в Р-лолосе поглощения в кристаллах СбС1 и СэВг, усиления коротковолнового свечения в С$Вг,- обусловлены изменением вероятности экентоииого распада по излучательному и безызлучательному каналам за счет увеличения вклада в общий рекомбииацнониый процесс реакций захвата электронов коле-батсльно-нерелакскрованными дырками.

3. Наряду с известным» механизмами создания триплетных АЛЭ (в ходе релаксации свободных экситонов, при захвате электронов проводимости иентрами, при рекомбннацнн Р- и Н-нентроп, туннельной перезарядке "тесных" Р-Н пар) я кристалле СяНг реализуется механизм рекомбинационной сборки

АЛЭ посредством туннельного переноса электрона Р-кешра на свободные верхние уровни дырочных У^-центров окраски.

4. Двухполосные спектры быстрозатухающей собственной люминесценции кристалла СбС1 обусловлены излучателиными переходами двух различных типов: коротковолновая полоса с Е=5,2 эВ возникает при кзлучательноП аннигиляции двухгаюидиых АЛЭ из релакснрованного возбужденного сииглетно* го состояния, свечение п облает 4.6 ->!3 обусловлено, по-ннднмому, переходами из верхней 3/?СГ валентной в 5рС$* остоапую зону.

Практическая ценность работы. Полученные а результате проведенной работы данные о процессах дефектообразооания в ЩГК типа С$С1 открывают новые возможности для разработки путей управления раднашюиноЯ стойкостью материачов.

Обнаруженные нелинейные явления в эффективности создания неустойчивых и стабильных дефектов при изменении плотности возбуждения или концентрации предварительно накопленных дефектов необходимо учитывать при оценке эффективности работы в полях радиации различных устройств (сшш-тнлляторов, дозиметров ионизирующих излучений).

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

Публикации и пк-.чл ч потопа. 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 докладывались и обсуждались на: шестой международной конференции "Радиационные гетерогенные процессы" (Кемерово,1905), IX международной конференции по радиационной физике и химии ионных кристаллов (Томск, 1996), международной конференции "Сцинтилляционные матернхты и гос применение" (Екатеринбург, 1996), 2 а,3"в и 4"* областных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 1996. 1997, 1998), Всероссийском школе-семниаре "Люминесценция н сопутствующие яв-

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

Об^см я структура дистггппнонной паботы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 162 страницы, в том числе 122 машинописного текста, 53 рисунка, 6 таблиц и библиографию из 215 иаимеио-ваиий.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

По »педенни. рассмотрена актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, перечислены основные защищаемые положения, отражена научная новизна и практическая ценность полученных результатов Приведены сведения об апробации работы н публикациях, об объеме и структуре диссертации.

О глппе 1 представлены литературные данные по экситонам и центрам окраски о кристаллах Галогелвдоо цезия. Приведет-» их оптические характеристики. Рассмотрены такие вопросы, как природа собственной люминесценции кристаллов галогенидов цезия и механизмы распада электронных возбуждений с рождением дефеетов в 1ДРК. На основе анализа литературы сделана постановка задачи исследования.

В глане 2 кратко описана методика эксперимента л обработки экспериментальных длш;ых,объекты исследования.

Исследования проводились на установке "Импульс-Г, реализующей метод ЛАСВР. Основные параметры установки:

Спектральный диапазон игчерений (200 - ¡200) им

Интерпол температур (80 -750) К

Временное разрешение 4 нс Диапазон значений фчюечеа энергии

электронного пучка за импульс (2 - 500) м)[ж см}

Обратная линейная дисперсия монохроматора ЩР-3 в области 200... 1200 км 1.3 ■ 2.6 им им

Для проведения исследований высокопозбу.кденных состояний экснтонов и дефектов в установке предусмотрена схема каскадного возбуждения образцов двумя смещенными во времени импульсами электронного ц лазерного (Ш*\ А.г= 1064 нмДв=532 нм, ^=30 не) облучения.

Работа выполнена на неактивированных щелочио-галондных кристаллах со структурой типа С5С1 {СбС!, СбВг, Се!), выращенных в ВНИИ "Монокристалл", г. Харьков (Се!, СбВг) и в КузПИ, г. Кемерово (СвС!).

В глапе 3 представлены результаты систематического исследования процессов низкотемпературного создания первичных дефектов в ЩГК с простой кубической решеткой. Изучены спектрально-кинетические характеристики оптического поглощения, наведенного импульсами ускоренных электронов при 80 К в кристаллах С$С1, и СеВг, плотностиые зависимости выхода короткоаси-вущих и стабильных дефектов в хлориде цезия. Для изучаемых кристаллов сделаны количественные оценки выхода центров окраски из электронно-

дырочных пар и АЛЭ из реакции реком-бннании (кристалл СбВг).

02

ТрехгалпиЛныс атпаткачюованные экагтоны в кристачиВ О/. Впервые в измерении спектров поглощения кристалла Сэ! при 80 К нам удалось про-4 2 • двниуться в более коротковолновую об-

Е эв ласть, чем 3.0 эВ, к обнаружить интен-

Нис /. Спектр переходного с и иную полосу с максимумом около 3.4

поглощения кристалла С«1, „

при 80 К ' снльн0 перекрывающуюся с полосой

люминесценции трчплетных АЛЭ (рис. I). Релаксация поглощения по всему спектру была синхронной, с постоянной времени х-1 мке, что совпадает со временем затухания триплетной люминесценции АЛЭ.

Фуллер, Внлльямс и Каблер (1970) показали, что форма спектра поглощения соответствует структуре оптических переходов д эе».-троииой и «яерной под-

01

s

системах АЛЭ е иашжзшем рслаксиропанпом состоянии н, что при этом структура оатпчсскнх переходов в ядерной подсистеме АЛЭ определяется в основном внутренним отроением электронных уровнен молекулярного дырочного попа, формирующего ядро /ЛЭ. Поэтому особое значение в скизн с этим приобретают спектрально-кинетические характеристики новой полосы в коротковолновой части спектра АЛЭ в Csl с Б„=3.4 эО, описанные выше. Сведения о существовании каких-либо полос в этой области, помимо обусловленных 1Г-центрамн, в литературе отсутствуют. Поэтому факт одновременного сущсст-ьоааьш в спектрах поглощения АЛЭ в Csl полос, соответствующих дырочным центрам двух семейств, - как Ь\ так 13"и имеющих г.рсмя релаксации, которое совпадает со временем жизни трнплеткых АЛЭ,- следует, по-видимому, считать серьезным аргументом в пользу заключения о том, чго дырочный компонент АЛЭ триплстцого типа в этом кристалле способен локализоваться не только на двух, но и на трех нолпх галоида.

Всю coBOKyiiiiocTí реакций приводящих к созданию и аннигиляции АЛЭ в кристалле Csl можно представить п виде;

e+Ivt-...-* (е+1 ;")*'-> {r-]"-r-c)'^(!"-{l"-t"ie)'Hr-r-r+hvj.7,ii (1) Нюкотчмпераппуный 'распад электронных мпбуждений и солдате óe-фекпит н кристаллах .-акуепндоа уеит. Анализ полученных данных по нзуче-► пню динамики создания и разрушения центров окраски в кристаллах галогенн-доп цезия позволил установить, чго пол действием облучения при 80 К в этих кристаллах первично возникают дефекты трех основных типов: АЛЭ в триплетом состоянии, F-H-пары с коррелированными и разделенными в пространстве компонентами. Эти три типа дефсетоз различаются набором спек-тралыю-кинстнческих свойств и характером их отклика на изменение температурных и мощностных режимов облучения. Также было установлено, что в кристалле CsCl при 80 К создаются центры всех трех типов, аннигиляция пар дефектов с коррелированными компонентами происходит в результате моно-молекуляриого процесса и характеризуется значениями постоянной времени.

совпадающей при 80 К с временами жизни трнплетных АЛЭ (т^тдяэ=(60±5) не).

Изучение влияния плотности возбуждения на эффективность генерации центров окраски в кристалле хлорида цезия показало следующее? 1) В составе наводимых дефектов увеличивается доля пар с далеко разделенными в простраи-стое И и II компонентами; 2) эффективность образования короткожнвушкх дефектов, таких, как трнплстные ЛЛЭ и "тесные" :•'-!! пары, падает. Однако, значения постоянной времени аннигиляции "тесных" Г-!1 пяр н трнплетных АЛЭ, так же как п ссктпюшенне их начальной концетрации, оказываются величинами, не зависящими от плотности поэбузменил. ■

Наблюдаемые нами плотпостные эффекты а кристалле С^С! хорошо укладываются в рамки существующих представлений о конкуренция в процессе электронного захвата дырок двух -гипса', "горячих" п термализоаэ.чпых цеитром. Эту точку зрения подтверждают и прямые оценки выхода АЛЭ т реакции рекомбинации (У^а), полученные ii.iv.!! на основе данных опитсп по двойному каскадному возбуждению кристалла СхВг. Так, если з случал шгзко-плотиото возбуждения выход ЛЛЭ составляет 20-30%", то при оптической стимуляции реакции рекомбинации. (Ук+е) мштмзльнгя величина казитоаого ви-

♦

хода составляет 50%.

'Гакнм образом, квантовый выход ЛЛЭ из реакции рекомбинации элсктронсз фотопроводимости с заранее созданными У^-истрами оказывается п дза разз выше, чем из реакции •зона-зонной рекомбинации при несслектаиом возбуждении кристалла электронным пучком.

То, что "тесные" Р-11 пары и трнплетные АЛЭ имеют равное время жизни я с ростом плотности возбуждения ведут себя одинаково, непосредственно указывает на способность этих дву; типов дефектов маимко преобразовываться ару г в друга.

Полученные количественные оценки (табл.1) эффективности преобраэо-

)Кравченко В А, Яковлев В 10 Образование Р-центров и АЛЭ в сияыювюСуждснныХ ЦГК И ФТТ,- 1988 - т 10, N3 - с.706-710.

вання электронно-дырочных (е-Ь) пар в центры окраски были проанализированы на основе известной диаграммы Рабина-Клика. Показано, что ЩГК с простой кубической решеткой, так же как и ЩГК типа ИаС!, можно разделить на две группы. К первой группе относятся кристаллы С$1 и СбВг (5/1X0.45),) ко второй - СбС! (8/ОХ).45).

Табл.1.

Квантовый выход центров окраски в кристаллах галагенидов цезия

Кристалл п1' '1 Кор п алэ

СвС! 0,1*7 0,08 0,09 0,07

СвВг — 0,01 0,097

С$1 0,042 0,04 0,002 0,44

На рис.2 изображен вид адиабатических потенциалов, соединяющих два неустойчивых дефектных состояний, - триплетных АЛЭ и "тесных" Р-Н пар, - «1 основное состояние Р-цеитра в Сб! и СбВг (а) и СбС! (б). Для того, чтобы вид

Рис.2. Сечение нижайшей адиабатической потенциальной поверхности, включающей конфигурации АЛЭ н. Р-Н пар, вдоль обобщенной координаты Крн, описывающей разделение дефектов в СлВг. СЧ!

(а) и С&С1 (б)

¡ечення адиабатических потенциальных поверхностей соответствовал наблго-мемым процессам генерации дефектов, в кристалле С$С1 общий нннимум терпи» изображен приходящимся как на состояние тр:тлстиых ЛЛЭ, так и на юстоянне "тесных" Р-Н пар.

О целом, совокупность полученных экспериментальных результате» по нзу-1екию закономерностей низкотемпературного распада зкеитоноа с роддеппем кфектных пар с разделенными в пространстве Р- и Н-компопеитамн указывает га важность той ранг, которую играет колебательное состояние авголоклли-[ующенея дырки к моменту рскомбииацнониОго создания э::спте:гз.

0 главе 4 рассмотрены вопросы, связанные, с влиянием температуры на иоминссцеитиые и абсорбционные характеристики ЩГК с простой кубичс-:кой решеткой.

• Пнутрицеитрптя и остото-

3

ai н о

ттештшя

люмучрецеттч

ь-в

f'uc i Температурная эволюция спсн троп люминесценции кристалла CsCI

кристалла CsCt. На рис,3,а-г сплошной линией показаны спегггры собственной люшпгссцеии.ш

кристалла CsCI, измеренные в момент окончания импульса облучения при SO, 200, 295 к 5S0 ГС, соответственно. Пунктирными линиями - разложение спектров на составляющие полосы. Как мо;кно видеть in данных этого рисунка, спектр

лтодолюмннесценцин хлористого цезия обусловлеп суперпозицией двух по-(ос с максимумами при 4 6 и 5.2 эВ. Затухание люминесценции по всему пектру п во всем исследованном интервале температур происходило безынер-[ионно по отношению к'длительности импульса электронов, с т<7 не. Анализ центральных характеристик свечения показал, что с ростом Т происходит нижспис интенсивности и упшрсиие полосы при 5.2 эВ, в то время как иика-

Kiix видимых изменений формы полосы при 4 6 -.»В не наблюдается. Эти данные' непосредственно указывают на различную природу происхождения полос излучения. Характер изменения полуширины более коротковолновой полосы при подъеме температуры можно описать функциональной зависимостью типа Ui/j(T)*=yVT. D теории молекулярной спектроскопии" такое температурное поведение И считается типичным для виутриценгрооых переходов в системах с большим стоксовьш сдвигом. Таким образом, происхождение полосы при 5.2 эВ логичнее всего связать с излучапелыюи аннигиляцией АЛЭ о сингяетиом состоянии и считать, что остошю-вапеитнымн переходами1' обусловлен не весь спсктр собственно^ люминесценции, а лишь его низкозиерге-тнческая часть, - широкая асимметричная полоса при 4 6 эБ.

О сушгстшмншии "on- и off-$1'пп,г"тр<1тгилт1дных оато.ю-

KaiinottaitiiHX DKiiiniDiioii п кри-

стапе ('si Изучение влияния температуры на спектралыю-кииетические свойства свечения криепшла Csl показало, что -повышение температуры обра> ца при облучении приводит к

5

* ■ ■ ?

Е,з1)

ИмЛ Спектры люминесценции кристадлаС«1, спектрального со-

измеренные при различных температурах става люминесценции (рис.4) за

1-с<вктрчгам«ре1вшовыомевдо«асцтша .

чч*з0.5шс счет, главным образом, возник-

новени» и роста амплитуды

медленного коштоыента в юшешке затухания люминесценции при 4.3 эВ, по

длительности совпадающего с затуханием триплетиой полосы при 3.7 ¿В.

') Бахшнм Н.Г. В*сденне а молекулярную саешроскогаио. Л , Ш-ио Лешшр. ун-та, 1937, 216«

*) Вдлбис Я К, Р»чко З А , Яаисон Я Л. Люминесценция, обусловленная переходами между мдеытмыым »нами в галогенндах цени И О сшил и спектроскопия • 198Ь - т 60,16. • с. 1100-1102

Эти результата хорошо согласуются с данными, полученными при двухфо-тоном возбужден и и4', которые свидетельствуют о реализации при Т>80 К термически активировшшых переходов между ответственными за полосы свечения ггрч 3.7 и 4.3 эВ состояниями ЛЛЭ.

Температурные зависимости выхода свечения при 4.3 и 3.7 эВ показаны па рнс.5,а. Здесь же приведены полученные нами данные об эффективности радиационного создания F-nciirpo!) n Csf (кр.4, piiç.5,a). Можно впдеть, что ход кривой температурной -зависимости выхода медяеинозатухэющего свечения в полосе при 4.3 эВ (кр.1, рис.5,а) па низкотемпературном-нарастающем' участке -.таррсллруст с деградацией люминесцеяшш в полосе при 3.7 эВ (кр.2, рнс.5,а), а на спадающем - с возрастание» выхода проетргшетвешю разделенных Г-Н пар петров отпеки (кр.4, рис.5,а).

Таким образом, состояние АЛЭ, ответствспкое зл высокотемпературное свечение при 4. J эГ), с одной стороны, оказывается способным создаваться при ■термическом возбуждении АЛЭ, излучающих в полосе 3.7 эВ, а с другой, -преобразовываться при Т>350 К в парьк^ретгеелепсюгс дефектов.

Для кристаллов с лпухгплочдпы-.гг} ЛЛГ> такое состояние, предшествующее

*

появлению разделенных » простр-г.стг.с дефектен, предстзатягат обычно как пару расположенных в соседних узлах решетки F- н Н-пентроп*'.

На основании полученных эксперимсягтальных данных н существующих на сегодняшний день прсдставлашй о структуре автолокалпэованнт экенто-нов нами сделано предположение о то?;», *гго создаваемые радиацией в кристалле Cst трехгалоидные аотолокализовп:пгые экептопы (см. выше в главе 3) существуют в двух конфигурациях "orr- »off-centcr". За полосу люминесценции с максимумом при 4.1 эВ при комнатной температуре отвечают "off-ccnter" трех-галоидные АЛЭ, а состояние трехгалопдных ЛЛЭ, аннигилирующее при низких температурах с испусканием люминесценции в полосе 3.7 эП и способное

*1 Nishiimira II, Sai,?ta M , TsujimotoT . Nakayama M Origin of (he 4 leV luminescence in pure Csl scintillator Л'1'hvs Rev П-¡005 - v 51. N4 - pp 2!t>7-2»72

'( William*U T . SonsK S. l-'.niM\VI, lui!t:l H OiTicnic ■ xlf-'tapped схепом,iik)creationoftaitKCdcfcct» m allali twiilc tmlais Mlmtall ■]•»<• -lol n Nn In-p7?l2- 73-W

при тсплоьом смешешш ядра аерийщ и "офшцег? состояние, логично считать имеющим "несмещенное" тргхгалондное дырочное ядро с близкой к "on-center" конфигурацией.

Обраутшис F-H пап ппи nacnide термически воуоулсасиных АЛЭ Изучение влияние температуры образца на процессы аннигиляции и образования тршшетшлх АЛЭ, F-H вар с пространственно коррелированными н разделенными компонентами в кристаллах Csl и CsCl позволило выяиить следующие основные закономерности (рис.5).

1. При повышении тсмперагури образца время жизни АЛЭ в триплетом состоянии н "тесных" F-1I пар уменьшается. Причем, в кристалле CsCl, где импульсом ускоренных электронов изводятся как тршшетиые АЛЭ, гак ы "тесина" Г-Н пиры, их разрушение при всех исследованных температурах происходит синхронно.

2. С ростом температуры образца при облучении увеличивайся эффективность генерации пространственно разделенных F-H па|> центров окраски.

а«

aoi

loVr, к-1

и

ICO

tic

Puc.S. Температурные характеристики F-центров и АЛЭ в кристаллах Csl (а) и CsCl (б) 1-светоиыход соечсшп медленного компонента в полосе прн 4 3 »D; 2- при Э 7эВ, 3- врем» жишн "тесных" F-К пар и АЛЭ; 4, í- шамтооый выход пространствеииа разделенных F- и Н-цгитров и их выход после вычета постоянной составляющей, соответственно

Эта закономерности следует рассматривать как прямое доказательство pea «мзаадш в кристаллах CsCl и Csl, также как и в других ЩГК, термоактнвнро ваицого механизма создания пространственно разделенных F-11 при безы злу-

ггсльком распаде ЛЛЭ с релаксированиоП в каинизшес я-лгоминесцсктлое )стояние электронной подсистемой:

С использованием модели, п которой состоянки АЛЭ и пространственно оделенных Я-Н пар считаются связанными сбщсЛ пднабалпескоЛ пэтенци-штй поверхностью,- был'проведен количественный анализ взаимосвязи иа-тюдасмыхтермоактнвнрованиых явлений геперааш) фрснкслевских десктоп разделенными в пространстве компонентами. Решение системы скоростных эавиений, описывающих эволюцию состояний трипяетных'-ЛЛЭ и прострзп-гиешю разделенных .'Р-Н пар после мгкоглшпц-о импульса г-озбуждешм, зет следующие выражения для описания температурных зависимостей греме-« жизни зрнплепшх ЛЛЭ и кшщеитрпцпн разделенных дефектов.

Тг (Т)={1\+ ом •(ехр(-Еи/кТ)1}*' (3)

Р^М

"^^ТПТГ¡' -гчгт) I)! (4)

Найдено хорошее согласие между наблюдаемыми температурными завяси-остямн и 1гх количественным описанием. Величина Е.) имеет конкретный рм-тчеекпй смысл как энергетический барьер, разделяющий состояния г.отоло-злнзоваииых эшгтоисв и пространственно разделенных Р-Н п"р.

Полученные нами данные 'позволили дегализироватг. представления о меха-изме распада экентонов пл Р-Н ¡геры с 'пространстегнно разделенными кон-онентами в кристаллах хлорида н поди да цезия. Ми предполагаем, что в крп-галле С$С1 рслаксировашгас состояние .автолокзлизооапных экситонов грлфп-ески можно представить в виде диухъяммого потенциала с минимумами, соот-гтетвующимн триплетаым АЛЭ Н "тесным" Р-Н парам, а а кристалле Сз! это эстояиие можно представить в пиле трехтомного потенциала, объединяющего эстояння двухгалокдных ЛЛЭ, а закже "оп- " и "оП'-ссШсг" трехгалоид)Шх ЛЭ.

Величина энергетического барьера Гу, разделяющего состояния релаксиро-анных аптолокалиюванных эксигоноя и пространствсино разделенных Р-Н

нар центров окраски, определешияиз данных рис.5, оказалась равной 0.034 зВ в кристалле СзС1 и 0.22 эВ вСб!.

В главе 5 изложены результаты исследований процессов распада электронных возбуждений с образованием дефектов и последующее взаимодействие дефектов между собой в кристалле бромистого цезия, активированного собственными точечными дефектами.

Э.чектроюю-дыртные процессы и создание; дефектов в кристагюх бромистого цезия р предварительно наведенными иентоачи окраски. В ходе проведенных спектроскопических исследований выяснилось, что рост дозы предварительного облучеиня кристалла С$Вг приводит к изменению спектрального состава люминесценции: интенсивность свечения синглстных и триплетных АЛЭ уменьшается, в то время как наблюдается разгораиие свечения в более коротковолновой области, чем свечение синглстных АЛЭ. Проведенные, наряду с люминесцентными, оитико-абсорбциониые исследования показали, что при увеличении концентрации накопленных дефектов происходит снижение эффективности генерации АЛЭ которое сопровождается ростом выхода пространственно разделенных Р-И пар центров окраски.

Явления снижения эффективности создания АЛЭ в о- и л-излу нательных состояниях, увеличения выхода пространственно разделенных Р-Н пар, усиления коротковолнового свечения можно .непротиворечиво объяснить в рамках предположения о том, что причиной наблюдаемых эффектов являегея смена доминирующих механизмов рекомбинациошюй сборки АЛЭ. Если в изначально бездефектных образцах основным механизмом (е-Ь) рекомбинации является, как известно, захват электронов проводимости ^-центрами с обраюьанием АЛЭ в о-и п-состояниях, то в предварительно облученных образцах возможен захват свободных дырок локализованными на дефектах электронами с образованием АЛЭ, ядериая подсистема которых претерпевает все стадии трансформации из одно- в двухгалоидную конфигурацию. Такие АЛЭ, как было показано выше в 3, обладают более высокой способностью к атермическому безыэлучателыюму распаду на пары структурных дефектов.

ТУинешотя рскчмбипаииончая ртмииесшчщия. Экспериментальные результаты по исследованию процессов аннигиляции дефектов во временном интервале 10"*-10° с в кристаллах СбПг с предваротсяько населенными серией импульсов ускоренных электронов метрами окраски позволили устзновтъ, по большая часть дефектов при 80 К распадается посредством туннельного механизма в парах {Р'-У^ либо {Р-У»}.

Ос1юваннсм для вывода о туннельном характере процессов разрушения Р-, •"-и У1-цс1гтров послужили следующие факты: во-первых, кинетики релаксант оптической плотности в области поглощения Р- и Р' -центров, после действия импульса радиации, за исключением начального интервала времени (10' -10"") с для Р-центров, хорошо описываются зависимостью

ШНЭ,+Щ1-с Шэ)) (5) де О0 - амплитудное значение оптической плотности неустойчивой компонеп-ы, измеренное в момент окончания импульса радиации в Р- и Р'-полосах по-лошения; с - константа; О,- значение оптической плотности стабильной окра-кн в Р- и Р' -полосах поглощения, соответственно; с - время окончания [мпульса облучения.

Как известно, пропорциональное логарифму времени уменьшение числа ак-ов рекомбинации характерно для туннелышк процессов (ТП) в изолирован-ых парах акцепторов и доноров.

Во-вторых, в предварительно облученных Д-106 Гр кристаллах СзВг нами бнаружены две инерционно затухающие полосы свечения, одна из которых эвпадает с ^-полосой свечения двухгалоидных автояокализовшшых экситоиов а 3.6 эВ, максимум другой расположен па 2.7 эВ. Затухание люминесценции в гих двух полосах при »>10"* с описывается зависимостью ?(0~М™ характерной мТП,гдеа=(10±0.05).

В результате анализа полученных данных и дополнительно проведенных оспериметов по фотостимуляции ТП » Р-, Р'-полосах поглощения лазерны-и импульсами, приводящими, соответственно, к одновременному ослаблению ш усилению люминесценции в полосах при 2.7 и 3.6 эВ, установлено, что

\ •

люмш1?.. -енция есть результат ТР о парах {Р-Ук}. Однако, если полоса ца 2. эВ обусловлена, как известно, переходом элгктронаР-центра на основной урс сень У^-центра, то возникновение полосы свечения при 3.6 эВ следует связзт с туннеяировшмем электрона Р-цешра на свободные уровни Ук-цснтра, с обр. зозанием АЛЭ в трнплетном состоянии.

Таким образом, образование АЛЭ возможно не только при релаксации св< бодиого зкситоиа, созданного электронным ударом или при рекомбипацн Ук+е, но и туннельном переносе электрона р-центра на свободные верхи» уровии У^-центра.

И 1»1:дн)чтиц излагаются основные результаты и выводи диссертационно работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ !1 ВЫВОДЫ РАБОТЫ

I .Экспериментальные исследования низкотемпературного создания дефс! тов в кристаллах галогенидов цезия привели к следующим основным резульп там. •' ч '-■'■

а) В спектре переходного поглощения кристалла Сз1 обнаружена попал ш паса с максимумом при 3.4 эВ и установлена се связь с переходами в дыро' пом компоненте АЛЭ со структурой Хз'. На основании данных анализа спа Трально-кинетичсскнх свойств люминесценции и наведешюго переходно! поглощения сделано заключение о том. что в кристалле автодокализовси иые экситоны существуют о двух конфигурациях: двух- и трехгалоидной, м< иду которыми возможны взаимные переходы,

б) Изучены особенности низкотемпературного создания и разрушения эд; ментарных центров окраски в кристалле С$С1 о различных мощность» реж) мах импульсного облучения. Показано, что создаваемые в этом кристалле тр> ллетцие АЛЭ и коротко-живущие Р.Н пары разрушаются в едином моном' пекулярном процесс«. Сделан вывод о том, что дм эти тепл дефектов «юсо

им при 80 К многократно преобразовываться друг в друга до того, как произойдет их аннигиляция »о обшему каналу, и тесные F-1I пары дефектов можно рассматривать, следовательно, как одну из структурных морфолотий триплет-ных AJO

в) На основе полученных прямым оптико-абсорбционным методом данных сделаны количественные оценки энергозатрат на создание F-центров и три-плетных АЛ') и показана возможность применения критерия Рабнна-Клика для сравнения радиационной устойчивости кристаллов с решеткой nina CsCI.

г) Опытами по двойному каскадному возбуждению кристаллов CsBr установлено, что оптическая стимуляция реакций рекомбинации электронов с заранее созданными V¡. Петрами приводит к образованию триплетных ЛЛЭ с квантовой эффективностью, значительно (более чем вдвое) превышающей их выход в случае зона-зонной рекомбинации. Сделан вывод о существовании в облученных ионизирующей радиацией кристаллах конкурирующего с реакцией (Vi te) эффективного ¡канала бечызлучательной рекомбинации электронов с дырками ня ранних стадиях двдалокаяизации, ведущей к снижению выхода триплетных ЛЛ")

2 В кристалле Csl изучены уемпературно-чависимые свойства разгорания и аеградации свечения медленного компонента Я полосе при 4 3 эВ. Обнаружено, что ход температурной зависимости ¡интенсивности этого свечения на тараааюшей ветви коррелирует с процессом тушения я-люминесненнин в no-toce при 3 7 эВ, а на спадающей - с ростом выхода проаранственно разделенных F-H центров окраски Показано, чго яоншкновение меллешюзатухаюшей (омноненты я кинетике спада ингснснвносгн при 4 3 эВ может быть связано с 1срсходом "on-cenler"- грехшлоиднмх. АЛ") в "oíT-ccnter" конфтурацию.

3 В pety.'ii.iaie исследовании люминесцентных свойств кристалла CsCI ус-ановден«. что с pocioM leMitcpaiypbi в облает 80-600 К спектральные харак-сриоики но /осы соба венной люминесценции при 5 2 чИ вменяются (полу-иирниа по лны моноюнно увеличиваем'*. шмепсиинооь свечения сннжас!-н). в «i щк'мя как и полосе цри $ifi зВянмеыений «с маЛлтласкя

\

На основе этого сделано заключение, что, двухполосная структура спектра люминесценции обусловлена излучательиыыи переходами двух типов: коротковолновая полоса с максимумом при 5.2 эВ возникает при излучателыюй аннигиляции двухгалоидных АЛЭ из возбужденного сииглетного состояния, в свечение при 4.6 эВ-осговио-валентными переходами.

4. Установлено, что ход температурной зависимости эффективности создания пространственно разделенных F- и Н-ценгров в кристалле Csl коррелирует с тушением люминесценции трехгалоидных "off-center" АЛЭ, а в кристалле CsCI - с процессом уменьшения времени жизни трнплетных АЛ'} и "тесных" F-Н пар. Сделано предположение о том, что экситонными состояниями, непосредственно предшествующими термоактивированному преобразованию экси-тонов в дефектные нары с разделенными в пространстве компонентами, в кристалле Csl является наннизшее рслаксированиое состояние трехгалоидных "ofTcenter" АЛЭ, a a CsCI - состояние, соответствующее "тесным" F-H - парам центров окраски.

остова

5. Изучение процессов аннигиляции электронных возбуждений и дефектов в предварительно окрашеиных импульсами радиации кристаллах Csür при 80 К показало, что: '

а) В кристаллах CsBr рост дозы предварительного облучения приводит к де-|радацин люминесценции АЛЭ в о- и в- нзлучателыюм состоянии и разгора-нию люминесценции в более коротковолновой области, чем область свечения синглспшх АЛЭ. Анализ этих результатов позволил сделать заключение о том, что в условиях, когда а кристаллах накоплено большое число собственных дефектов увеличивается вклад в общий рекомбинациоиный процесс, реакций рекомбинаций электронов с дырками, находящимися на стадии энергетической релаксации

б) Создание АЛЭ в наинизшем тршшетном состоянии возможно не только в результате релаксации свободного жейтона или при рекомбинации элек-

pona in юны проводимости с автолокалнзокншой лыркоП, но н при туннель-ом переносе электрона F-neinpa па свободные верхние уровни V^-ueinpa.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гафиатулииа Е.С., Яковлев В.Ю. Динамика накопления устойчивых и ге-ерацнн первичных дефектов в ЩГК при импульсном электронном облучении. Тезисы док. (у% международная конф. "Радиационные гетерогенные процессы. Кемерово,-I99S.- с.66-67.

2. Яковлев В.Ю., Гафиатулииа Е.С. УФ-лгоминссцсшнп предварительно ск-зшенного кристалла CsBr при импульсном электронном облу,!Сннн.//Тсзисы окл. Международная конференция Хцшгтилпяшютшс материалы п их римененне"-Екатеринбург. - 1996.-е. 18

3. Яковлев В.Ю., Гафиатулииа Е.С. Рскомбииационнос создание звтолокялн->ванных экентонов в кристалле CsBr. // Тезисы док. О11 ме::<дунзродная конф. з рал. фнз. и хим. исорг. материалов - Томск,-1996,- с.95-95.

4. Яковлев В.Ю., Гафиатулииа Е.С. Влияние пластической деформации на омииесценцию АЛЭ п кристалле Csl. // Тр. 2й обл. науч,-прзкт. конф. студсн-)в, аспирантов и молодых ученых. - Томск,- 1996.-е. 125.

5. Яковлев В.Ю., Гафиатулииа Е.С. Оптнчсскне свойства и структура авто-жалнзовапных экентонов в кристалле Csl. II Тр. 3й обл. иэуч.-прает. копф. удептов, аспирантов и молодых ученых. - Томск.- 1997.-е. 127

6. Яковлев В:Ю., Гафиатулииа Е.С.Тунисльная рекомбииациоиная люмннес-:нция в кристалле CsBr. // Труды школы-ссмнизра "Люминесценция и сопут-вующис явления". -Иркутск.-1997,- с.158-163.

7. Яковлев В Ю , Гафиатулииа ЕС. .Туннельная рекомбииациоиная люми-хиешшя в кристалле CsBr. // Тезисы докл. школы-семинара "Люминесценция сопутствующие явления". -Иркутск,- 1997.-с.29-31

8 Яковлев В.Ю., Гафнагулнна Е.С. Оптические свойства к структура автоло-лизовлнных -жетонов в кристалле Csl. // Тез. докл. Перли и Всероссийский

симпозиум по твердотельным детекторам иоии шрунпцих излучении - 1ж;т; ринбург,- 1997.-е. 182-183.

9, Гафиатулина Ь.С., Чернов С.Л., Яковлев I) Ю Создание жетонов и дефектов в кристалле СЧ! при импульсном электронном облучении IIФТТ-19Ч8-т 40, в.4.-с.640-644.

Подписано к нечаги 24.09.98 г. Тираж 100 ж 1 Закат №44$ ИПФ111У Лиценш* Л Г № I о| 18 07 44 Ршанрши 111У 634Ш4. Томск, нр Лешим..«)