Коллоидные частицы и центры окраски в облученных нейтронами кристаллах лейкосапфира

Чумак, Вера Васильевна

Коллоидные частицы и центры окраски в облученных нейтронами кристаллах лейкосапфира тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Чумак, Вера Васильевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Иркутск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2003 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Коллоидные частицы и центры окраски в облученных нейтронами кристаллах лейкосапфира»

Автореферат диссертации на тему "Коллоидные частицы и центры окраски в облученных нейтронами кристаллах лейкосапфира"

Чумак Вера Васильевна

На правах рукописи УДК 548.571; 535.37

КОЛЛОИДНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ЦЕНТРЫ ОКРАСКИ В ОБЛУЧЕННЫХ НЕЙТРОНАМИ КРИСТАЛЛАХ ЛЕЙКОСАПФИРА

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск -2003

Работа выполнена в Иркутском государственном университете

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук

С.А. Зилов

Научный консультант:

доктор физико-математических наук

проф. Е.Ф. Мартынович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук проф. В.Н. Саломатов

доктор физико-математических наук проф. В.М. Лисицын

Ведущая организация:

Уральский государственный технический университет, г. Екатеринбург

Защита состоится 15 октября 2003 г. в М часов на заседании диссертационного Совета Д.212.074.04 при Иркутском государственном университете по адресу: 664003, Иркутск, бульвар Гагарина, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Иркутского государственного университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат

физико-математических паук, доцент

Б.В. Мангазеев

~\J6C0 ОБ]

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Монокристаллы лейкосапфира нашли широкое применение в электронике, лазерной технике и люминесцентной дозиметрии. На основе монокристаллов лейкосапфира с центрами окраски создан ряд лазерных сред с плавно перестраиваемой частотой генерации излучения, пассивных лазерных затворов, термо- и фотолюминесцентных дозиметров. В последние годы, в связи с развитием фемтосекундной оптики, особую актуальность приобретают оптические материалы, обладающие широким спектром фоточувствительности, позволяющие избежать амплитудной фильтрации фемтосекундных импульсов. В этом отношении представляются перспективными оптические материалы на основе кристаллов сапфира, содержащих коллоидные центры, обладающие широкими спектрами поглощения. Применение монокристаллов лейкосапфира в указанных направлениях требует детального изучения характеристик центров окраски и бесструктурного оптического поглощения, обусловленного коллоидными частицами алюминия.

Состояние вопроса. Теоретические и экспериментальные оценки подвижности анионных и катионных вакансий, а также межузельного алюминия и кислорода в решетке а - А12О3 показывают, что в необлученном кристалле наиболее подвижны анионные вакансии в плоскости (0001), их эффективная диффузия происходит при температурах свыше 1400° С, а Р+ - и Р- центры в термохимически окрашенных кристаллах а - А12О3 стабильны до

Вместе с тем, в облученных нейтронами кристаллах а - AI2O3 термические преобразования центров окраски и образование агрегатных центров происходят при гораздо меньших температурах 250-500°С, и их нельзя объяснить диффузией вакансий F- и F+- центров. Возникает противоречие: образование и преобразование центров окраски в нейтронно - облученном а -AI2O3 происходит при температурах, когда "заморожены" анионные и катионные вакансии, межузельный алюминий и кислород. В спектрах поглощения монокристаллов лейкосапфира, облученных нейтронами, наряду с полосами, характерными для центров окраски, наблюдается бесструктурная полоса поглощения, так называемый пьедестал. Данная полоса обусловлена появлением в кристаллах лейкосапфира коллоидных частиц А1п, возникающих в процессе радиационного воздействия и последующего термического отжига образцов. В окрестности коллоидных частиц образуются области со значительным нарушением структуры решетки. В данной области концентрация дефектов значительно выше, чем в остальном кристалле, и термические преобразования центров окраски могут происходить при более

1800° С.

низких температурах. Одной из задач работы является выяснение роли коллоидных частиц А1 в термических процессах образования и преобразования центров окраски в нейтронно-облученных кристаллах а - А12О3.

Коллоидные частицы алюминия в облученных нейтронами кристаллах лейкосапфира играют двоякую роль: с одной стороны они обусловливают появление бесструктурного поглощения, снижающего качество оптических материалов, с другой - играют роль дефекта, в результате распада которого происходит образование и преобразование центров окраски. Обнаружено, что бесструктурная полоса обладает сильным дихроизмом, который определяется формой коллоидных частиц алюминия. Аппроксимация поглощающих частиц алюминия плоскими образованьями правильно описывает знак дихроизма, однако полученные теоретические значения количественной характеристики эффекта почти на два порядка отличаются от экспериментальных данных. Данный факт требовал детального исследования дихроизма бесструктурного поглощения, в том числе, его термических преобразований и построения модели, адекватно "описывающей количественные характеристики анизотропного поглощения.

Известно, что структура кристаллической решетки определяет структуру и симметрию возможных центров окраски в данном кристалле. Особенностью кристаллов а - А12О3 является большое разнообразие возможных структурных типов центров окраски, которое приводит к появлению большого числа полос поглощения и люминесценции, часто перекрывающихся между собой. Описанные в литературе методы разделения спектров на составляющие, имеют существенные ограничения и не работают в случае полного перекрытия полос. Для идентификации полос определенным центрам окраски необходима разработка специальных методов разделения полос в спектрах поглощения и люминесценции.

Применение различных методов термообработки приводит к появлению новых типов центров окраски, исследование которых также представляет актуальную задачу. После высокотемпературного отжига (в интервале 500-700 С") образцов лейкосапфира, в оптических спектрах появляются полосы люминесценции с максимумами при 530 нм и 615 нм, имеющие максимум возбуждения при 457 нм. Эти полосы принадлежат не изученному ранее типу центров окраски. Полосы поглощения и люминесценции данных центров сильно перекрываются с полосами других центров окраски (с полосой поглощения 450 нм и люминесценции на 560 нм), что существенно осложняет их исследование.

Таким образом, целью работы является экспериментальное исследование механизмов образования и термического преобразования центров окраски, ныяснение роли коллоидных частиц алюминия в данных процессах, исследование оптических свойств, в том числе дихроизма, бесструктурной полосы поглощения, разработка метода разделения полос в спектрах

поглощения и люминесценции, исследование новых типов центров окраски в облученных нейтронами (флюенс 10|8-10|9см"2) монокристаллах лейкосапфира.

Задачи исследования. В связи с актуальностью указанных проблем в работе поставлены следующие задачи:

- установить закономерности процессов образования и преобразования центров окраски при изохронном и изотермическом отжиге облученных нейтронами кристаллов а - А12О3;

- разработать на основе теории поглощения и рассеяния света средами, содержащими малые частицы, модель, позволяющую получить количественные характеристики экспериментально наблюдаемого дихроизма бесструктурной полосы поглощения;

- установить закономерности изменения дихроизма пьедестала и их связь с преобразованиями формы коллоидных частиц алюминия при термическом отжиге облученных нейтронами кристаллов а - А12О3;

- разработать метод разделения на составляющие спектров поглощения и люминесценции анизотропных (одноосных) кристаллов, применимый в случае полного перекрытия полос;

- изучить оптические характеристики нового типа центров окраски с максимумами полос люминесценции при 530 нм и 615 нм, определить ориентации поглощающих и излучающих осцилляторов данного типа центров окраски.

Методы проведения исследований. Кроме стандартных спектроскопических методов (измерение спектров поглощения и люминесценции, измерение времен жизни возбужденных состояний и т.п.), для исследования поляризованной люминесценции центров окраски применялся метод поляризационных отношений. Данный метод позволяет определить тип (мультипольность) и ориентацию поглощающих и излучающих осцилляторов, которыми аппроксимируются переходы в исследуемых центрах.

На защиту выносятся следующие научные положения.

1. Термические преобразования центров окраски, поглощающих в ближней инфракрасной области, и образование агрегатных центров в облученных нейтронами монокристаллах а - А12О3 (флюенс 1018-1019 см"2) происходят в результате "короткой" диффузии в локальных областях вблизи коллоидных частиц алюминия.

полосы поглощения. Модель основана на теории поглощения и рассеяния света средами, содержащими малые частицы, в качестве которых рассматриваются коллоидные центры алюминия, образующиеся при облучении кристаллов а -А12О3 нейтронами.

3. При термическом отжиге происходит разрушение плоских коллоидных образований алюминия на более мелкие, приближающиеся к шарообразной форме частицы, что приводит к изменениям в распределении частиц по факторам формы и к соответствующим температурным преобразованиям дихроизма бесструктурной полосы поглощения.

4. Разложение сложных спектров люминесценции и поглощения одноосных кристаллов на индивидуальные полосы может быть произведено на основе использования поляризационных отношений, полученных при исследовании поляризованной люминесценции, что дает возможность однозначно определить вклад каждого центра окраски в суммарный спектр.

5. Полосы люминесценции с максимумами при 530 и 615 нм принадлежат одному типу центров окраски, ориентации дипольных моментов соответствующих переходов которых близки к направлению, перпендикулярному оптической оси. Полученным ориентациям осцилляторов наиболее соответствует структурная модель, представляющая собой две соседние анионные вакансии, лежащие в одной кислородной плоскости (0001) кристалла а-А^Оз,

Научная новизна работы.

1. Исследована роль коллоидных частиц алюминия в процессах образования и преобразования центров окраски в образцах лейкосапфира, облученных нейтронами. Рассмотрена кинетика образования центров окраски, из которой следует, что центры окраски в облученных нейтронами кристаллах а -А12О3 образуются не однородно по всему объему кристалла, а локализованы вблизи коллоидных частиц алюминия, играющих роль дефекта, в результате распада которого при термическом отжиге образуются агрегатные центры окраски.

2. На основе теории рассеяния света средами, содержащими малые частицы, сделаны оценки дихроизма бесструктурной полосы поглощения -пьедестала, обусловленной наличием коллоидных частиц алюминия в облученных нейтронами кристаллах а- А12О3. Форма коллоидных частиц аппроксимирована эллипсоидами, с малой осью совпадающей по направлению с оптической осью кристалла. Анализ сделан для нормального гауссового распределения частиц по факторам формы /, зависящим от соотношения осей эллипсоидов. В качестве параметра, характеризующего дихроизм, рассматривалось отношение Ак=кй/кх, где ки и к1 -коэффициенты поглощения света, поляризованного параллельно и

перпендикулярно оптической оси кристалла, соответственно. Получено хорошее количественное совпадение экспериментальных и расчетных данных.

3. Обнаружены термические изменения линейного дихроизма бесструктурной полосы поглощения, которые показывают, что при термическом отжиге пьедестала (при температурах выше 800°С) происходит разрушение плоских коллоидных образований на более мелкие, приближающиеся к шарообразной форме, частицы.

4. Предложен метод разделения спектров поглощения и люминесценции одноосных кристаллов в случае их полного перекрытия. Рассмотрены области применения данного метода. Метод успешно применен для выделения полос люминесценции нового центра окраски.

5. Исследованы оптические характеристики, в том числе поляризованные люминесценция и поглощение, нового типа центров окраски с максимумами полос люминесценции при 530 и 615 нм. С помощью метода поляризационных отношений определены ориентации дипольных моментов переходов поглощающего и излучающего осцилляторов этих центров. Одинаковые поляризационные отношения и спектры возбуждения показывают, что полосы люминесценции с максимумами при 530 и 615 нм принадлежат одному типу центров, ориентация дипольных моментов переходов которых близка к направлению перпендикулярному оптической оси. Предложена структурная модель данного типа центров окраски.

Практическая значимость. Результаты приведенных исследований использованы для разработки новых пассивных лазерных затворов и лазерных элементов на основе монокристаллов лейкосапфира с центрами окраски.

Исследования бесструктурной полосы поглощения - пьедестала, могут служить основой для разработки методов селективного разрушения коллоидных частиц, в результате применения которых могут быть снижены оптические потери и увеличена эффективность лазерных элементов и пассивных лазерных затворов на оскеве монокристаллов лейкосапфира.

Предлагаемый в работе метод разделения полос поглощения и люминесценции одноосных кристаллов может быть рекомендован к практическому применению в спектроскопии кристаллов.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и симпозиумах: XII International conference on defects in insulated materials (Germany, Nordkirchen, 1992); VI международная конференция Радиационные гетерогенные процессы (Кемерово, 1995); VIII International conference on radiation effects in insulators (Catania, Italy, 1995); 7th International Conference Radiation Effects in Insulators (Nagoya, Japan, 1993); International Conference on Luminescence and Optical

Spectroscopy of Condensed Matter (Connecticut, USA, 1993); III Международная конференция Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул (Томск, 1997); Российская конференция Люминесценция и сопутствующие явления (Иркутск, 1997); XII International conference on defects in insulated materials (ICDIM 92); IX конференция по радиационной физики и химии неорганических материалов (Томск, 1996 ); УП Всесоюзн. конф. по радиационной физике и химии неорганических материалов (Рига, 1989); International symposium Luminescent detectors and transformers of ionizing radiation, LUMDETR91( Рига, 1991); VIII международная школа-семинар Люминесценция и лазерная физика (Иркутск, 2002)

Публикации Материалы диссертации опубликованы в 23 печатных работах, в том числе в 5 статьях в журналах рекомендуемых ВАК.

Личный вклад соискателя в опубликованные статьи. Печатные работы, написанные диссертантом в соавторстве, основаны на экспериментальных результатах, которые в существенной мере получены и интерпретированы им самим.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 102 страницах, включая 90 страницы текста, иллюстрируется 18 рисунками, 2 таблицами и состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 101 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, сформулированы защищаемые положения, определена новизна полученных результатов, кратко изложено содержание работы.

Глава 1. Методика измерений и экспериментальные установки

В первой главе рассмотрены методы исследования поляризованной люминесценции и поглощения кристаллов с центрами окраски. Описан метод поляризационных отношений для одноосных кристаллов, приводятся методики экспериментальных исследований и приготовления образцов.

Глава 2. Роль коллоидных частиц алюминия в образовании и преобразовании центров окраски в кристаллах а - AI2O3

Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований преобразований центров окраски при изохронном и изотермическом отжиге облученного нейтронами лейкосапфира. Определены энергии активации разрушения центров, поглощающих в ближней

инфракрасной области спектра. Показана роль коллоидных частиц алюминия в образовании и преобразовании исследуемых центров окраски.

Спектр поглощения облученных быстрыми нейтронами монокристаллов лейкосапфира а - А12О3 имеет сложную структуру. Полосы, связанные с поглощением света различными центрами окраски, проявляются на фоне широкой, спадающей от ультрафиолетовой к инфракрасной области спектра, бесструктурной полосы поглощения. Показано, что бесструктурная полоса поглощения (пьедестал) обусловлена наличием в нейтронно-облученных образцах а - А12О3 коллоидных частиц алюминия. Данные частицы образуются при облучении лейкосапфира нейтронами по реакции (АГ ), + пе (лГ )„. По данным, полученным методом электронной микроскопии, размер частиц А1 порядка 50+100 нм. Проведенные рентгеноструктурные исследования подтверждают наличие коллоидных частиц алюминия в изучаемых образцах лейкосапфира.

Для исследования процессов образования л преобразования центров окраски при изохронном и изотермическом отжиге облученных нейтронами кристаллов а - А12О3 нами были выбраны центры, люминесцирующие в инфракрасной области. Центр окраски ЦО(1) с полосами поглощения 454 нм и 830 нм и сопряженными с ними полосами люминесценции 472 нм и 980 нм и ЦО(2) с полосами поглощения и люминесценции в области 1,06 мкм и 1,12 мкм, соответственно.

При изотермическом отжиге оказалось, что процесс термического разрушения ЦО(1) и ЦО(2) не описывается обычным уравнением первого порядка

-~ = Шехр(-Еа/кТ), (1)

где N - концентрация исследуемых центров окраски; Еа - энергия активации разрушения центров окраски, А — константа.

Для адекватного описания процесса изотермического отжига ЦО(1) и 1ДО(2) необходимо учесть, что, кроме элементарного процесса разрушения исследуемых центров, описываемого уравнением (1), идет и процесс их образования в результате распада некоторых дефектов О. Из системы кинетических уравнений для данного процесса получим выражение для концентрации исследуемых центров от времени отжига

*(*)= ЛГ0ехр(-;/г)+4г^[ехрН/гв)-ехрН/г)], (2)

где т, тп - времена релаксации, г"' = Асхр(-Е / кТ), т~' = Аь ехр(-£,, /кТ). Экспериментальные кривые зависимости концентрации

Ц0(1) и Ц0(2) от времени изотермического отжига адекватно описываются выражением (2). Для нахождения энергии активации разрушения ЦО(1) и ЦО(2), а также дефектов Б, была построена зависимость экспериментально определенных времен релаксации г, тв от 1/Т в полулогарифмических координатах. По наклону прямых были определены энергии активации разрушения ЦО(1) и ЦО(2) и дефектов О, которые составили £0) = 1,17 зВ, Еа) = 1,21 эВ, Е™ = Е^ = 0,56 эВ, соответственно. То есть ЦО(1) и ЦО(2) образуются при распаде одних и тех же дефектов О.

Методом электронной микроскопии рядом авторов исследовался процесс термического преобразования коллоидных частиц А1 в дислокационные петли в дефектном кристалле С1-А12О3. Измеренная энергия активации разрушения коллоидных частиц А1 составила 0,55 эВ, что близко к полученному нами значению, поэтому можно заключить, что дефекты Э и есть коллоидные частицы А1, а ЦО(1) и ЦО(2) образуются в результате термического разрушения коллоидных частиц А1.

В работе предлагается механизм образования и преобразования центров окраски в монокристаллах 01-А12О3. При отжиге коллоидной частицы происходит диффузия кислорода из соседних слоев решетки 01-А12О3 и частичное восстановление решетки. Эта "короткая" диффузия имеет место в локальной области на границе двух фаз, поэтому ее энергия активации меньше, чем энергия активации обычной диффузии в бездефектном кристалле, и составляет по оценкам 0,55 эВ, что соответствует температурам 300-500° С, при которых идет преобразование коллоидных частиц в дислокационные петли.

При последующих стадиях отжига происходит образование Б -агрегатных центров и, возможно, центров, связанных с межузельным алюминием. Поскольку "атмосфера" межузельного кислорода не скомпенсирована количеством алюминия в коллоидной частице, то при отжиге неизбежно образуются Б и Р+- агрегатные центры, так как кислорода из области "короткой" диффузии не хватает для построения бездефектных слоев. При дальнейшем отжиге завершается формирование дислокационной петли.

Глава 3. Влияние распределения коллоидных частиц алюминия на дихроизм бесструктурной полосы поглощения в монокристаллах а- А12О3

В третьей главе исследовался линейный дихроизм бесструктурной полосы поглощения. Измеренное поляризационное отношение, характеризующее дихроизм пьедестала Ак, в диапазоне длин волн 700 - 1000 нм составило 0,45 ± 0,05. Данный эффект обусловлен формой и ориентацией поглощающих частиц алюминия. Расчет на основе теории поглощения и рассеяния света средами, содержащими малые частицы, позволяет провести теоретическую оценку возникающего дихроизма. Нами предложена модель, в которой коллоидные образования алюминия аппроксимируются эллипсоидами (форма частиц

меняется от шара до плоского диска) с малыми осями, ориентированными по оптической оси кристалла. Если поглощение обусловлено сферическими частицами, отношение Ак для лейкосапфира равно 0,85, за счет анизотропии матрицы а- А12О3. Для плоских дисков отношение /4^=0,01, в этом случае поглощается в основном излучение с вектором напряженности электрического поля, лежащим в плоскости дисков.

С учетом распределения частиц по факторам формы зависящим от соотношения осей эллипсоидов, получено следующее выражение для параметра А^.

проницаемости материала коллоидных частиц, ее и еа- диэлектрические проницаемости лейкосапфира для необыкновенной и обыкновенной волны, соответственно, п{/)~ функция распределения частиц по факторам формы.

Для более детального исследования зависимости поляризационного отношения Ак от распределения коллоидных частиц по факторам формы использовалось нормальное Гауссово распределение

где а - дисперсия, а /т ■ среднее значение или математическое ожидание величины /

Изменяя/т и а, получим различные случаи распределен."? частиц пп факторам формы. Для анализа выбраны следующие варианты значения^: /т = 0,33 - среди коллоидных частиц преобладают шары, /т = 0,67 - среди коллоидных частиц преобладают эллипсоиды, /т = 1,00 - среди коллоидных частиц преобладают диски. Для каждого из значений математического ожидания рассматривалось десятикратное изменение дисперсии (от 0,05 до 0,5), которая в данном случае определяла степень разброса частиц по факторам формы.

Расчет проводился в соответствии с формулой (3) для распределения (4) методами численного интегрирования. Результаты вычислений приведены в таблице.

(3)

где е, и ег - действительная и мнимая части диэлектрической

(4)

Таблица.

Зависимость поляризационного отношения А к от среднего значения и дисперсии фактора формы

/пг 0,33 0,67 1,00

0,05 0,529 0,016 0,007

0,10 0,343 0,017 0,005

0,20 0,110 0,019 0,006

0,50 0,030 0,022 0,016

Как видно из таблицы, расчетные значения Ак близки к экспериментальным, в случае если среди коллоидных образований преобладают частицы, форма которых приближается к шарообразной {/т = 0,33). Для дисков и эллипсоидов значения отличаются от экспериментальных на 1 - 2 порядка даже при большой дисперсии. Анализ кривой нормального распределения при /т = 0,33 и <г~ 0,10 (при этих параметрах вычисленное значение А к = 0,34 близко к экспериментальному) показал, что почти все коллоидные частицы имеют коэффициент формы в интервале (0,33 40,77). Этим значениям соответствует интервал (1+6) отношения а/с малой и большой осей эллипсоидов. Полуширина пика распределения определяется коэффициентом формы / = 0,46 или отношением осей а/с =1,6. Таким образом, показано что частицы, в основном, имеют сферическую форму, однако в образцах присутствует значительное количество плоских коллоидных образований.

Показано, что термические преобразования центров окраски происходят одновременно с разрушением коллоидных частиц. Для выяснения механизма разрушения коллоидных образований нами исследовались температурные преобразования пьедестала в области 600+800 нм. При температурах о г 400 до 1200°С проводился изохронный отжиг кристаллов а-А^Оз, облученных 18 2

нейтронами с дозой 10 н/см . После отжига записывались спектры поглощения в области 600-800 нм, при двух направлениях вектора Е поглощаемого света (Е параллельное оптической оси и Е перпендикулярное оптической оси). В процессе измерений определялось Л к пьедестала. Проведенные исследования показали, что пьедестал начинает эффективно разрушаться при температурах больших 800°С, одновременно происходит рост Ак до значения 0,80+0,05, что хорошо совпадает со значением, теоретически вычисленным для случая, когда все коллоидные частицы имеют близкую к шарообразной форму. Полученные результаты позволяют предположить, при термическом отжиге происходит

полное разрушение плоских коллоидных образований, на более мелкие частицы, форма которых приближается к шарообразной, что совпадает с основными положениями предложенных в работе расчетов.

Глава 4. Метод разделения полос в спектрах поглощения и люминесценции одноосных кристаллов на основе поляризационных отношений

В четвертой главе рассмотрена задача разделения экспериментально наблюдаемых спектров люминесценции и поглощения на индивидуальные полосы. Для анизотропных (одноосных) кристаллов предложен довольно простой метод разделения полос в спектрах поглощения и люминесценции.

Суть метода заключается в том, что из поляризационных отношений Р1, РЕ, полученных при исследовании поляризованной люминесценции, можно определить мультипольность и ориентации поглощающих и излучающих осцилляторов, которыми описываются переходы в центрах окраски. Это дает возможность однозначно вычислить вклад каждого центра в суммарный спектр поглощения (люминесценции) образца. Метод успешно использовался для разделения полос в спектрах поглощения и люминесценции сапфира. Характерной особенностью метода является то, что выделяемая полоса может иметь произвольную форму (гауссову, лоренцеву, низкотемпературный спектр со структурой и т.п.). В отличие от метода Аленцева - Фока, предлагаемый метод позволяет разделять полосы и в случае их полного перекрытия.

Показаны преимущества и недостатки предлагаемого метода, области его применения и примеры разложения спектров в кристаллах а - А12О3

Глава 5. Структура и оптические свойства центра с полосами люминесценции 530 и 615 нм

В пятой главе описаны результаты экспериментальных исследований оптических свойств нового типа центров окраски, ответственных за полосы люминесценции с максимумами при 530 и 615 нм. Определены ориентации моментов переходов поглощаюшего и излучающего осциллятора данных центров и предложена их структурная модель.

При исследовании температурных преобразований спектров поглощения облученных нейтронами кристаллов лейкосапфира в области 450 нм обнаружены изменения поляризационного отношения Ак = ки / к1. При температурах отжига ниже 500 °С параметр Ац=4,0 , его величина изменяется незначительно и соответствует ориентациям поглощающих диполей, вычисленным для известного типа центров окраски (поглощение 450 нм, люминесценция 560 нм). Однако при повышении температуры отжига выше 600°С, значение поляризационного отношения Ак становится меньше единицы и составляет А^ = 0,3 при Т = 700°С, что соответствует углу между оптической осью кристалла и направлением поглощающего осциллятора (а,| - 66 ± 5°).

Можно сказать, что в данном случае произошло изменение ориентации дипольного момента перехода, описывающего поглощение в области 450 нм, что свидетельствует о появлении нового типа центров окраски.

Максимум полосы люминесценции данных центров окраски при Т= 300 К находится на длине волны 615 нм, максимум соответствующей полосы фотовозбуждения - на длине волны 457 нм. Исследование кинетики затухания люминесценции в области 610-625 нм, возбуждаемой импульсами излучения с длиной волны 460 нм (применялся лазер на монокристалле Ь!Р с Б2* центрами окраски и генератором 2-й гармоники), показало, что постоянная времени затухания сильно зависит от температуры и равна, соответственно: 1,20 мкс при 300К и 2,25 мкс при 80К.

Для выяснения природы и структуры нового типа центров окраски они были исследованы методом поляризационных отношений. Из анализа измеренных поляризационных отношений следует, что как поглощение, так и излучение данных центров описываются линейными дипольными осцилляторами, ориентированными относительно оптической оси кристалла С3„ под углами ар= аг=67± 5° (где а] и а2 - углы между оптической осью кристалла и направлениями поглощающего и излучающего осциллятора, соответственно). Угол между проекциями поглощающего и излучающего осцилляторов на плоскость (0001) <р = 0° в пределах погрешности эксперимента. Одинаковые ориентации поглощающего и излучающего диполей (а, » а2 ; ф ~ 0) показывают, что излучающий и поглощающий диполи относятся к одному центру, то есть процесс происходит без миграции энергии от центров поглощения к центрам излучения.

Проведенное в области (450-700 нм) разложение спектров люминесценции на составляющие с помощью метода, предложенного в данной работе, позволило выявить вторую полосу люминесценции данного типа центров окраски. Максимум этой полосы находится при 530 нм.

Одинаковые поляризационные отношения, а также спектры возбуждения показывают, что полосы с максимумами 530 и 615 нм принадлежат одному типу цент"ов окраски.

Полученным ориентациям осцилляторов наиболее соответствует структурная модель, представляющая собой две соседние анионные вакансии, которые лежат в одной кислородной плоскости (0001) кристалла 01-А12О3. Учитывая влияние кристаллического поля, такой ¥2 - центр будет иметь ориентации дипольных моментов переходов а, и а2 несколько отличающиеся от 90°.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов определены поляризационные отношения, тип и ориентации осцилляторов, которыми аппроксимируются переходы в исследуемом типе центров окраски. Предложена структурная модель данного типа центров.

В заключении сформулированы основные научные результаты и выводы

диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показана роль коллоидных частиц алюминия в процессах образования и термического преобразования центров окраски в облученных нейтронами кристаллах лейкосапфира. Установлено, что центры окраски образуются не однородно по всему объему кристалла, а локализованы вблизи коллоидных частиц алюминия. Температурные преобразования центров окраски и образование агрегатных центров происходят здес:, в результате "короткой" диффузии в локальных областях и обусловлены термическим разрушением коллоидных частиц алюминия. При этом энергия активации "короткой" диффузии в облученных нейтронами кристаллах лейкосапфира меньше, чем энергия активации диффузии в бездефектном кристалле. Это позволяет осуществлять термические преобразования центров окраски при относительно низких температурах 200-600° С.

2. Установлено, что бесструктурная полоса поглощения - пьедестал, обладает сильным линейным дихроизмом. Данный эффект обусловлен формой и ориентацией поглощающих частиц алюминия. Расчет на основе теории поглощения и рассеяния света средами, содержащими малые частицы, позволяет провести теоретическую оценку возникающего дихроизма. Предложена модель, в которой коллоидные образования алюминия аппроксимируются эллипсоидами (форма частиц меняется от шара до плоского диска) с малыми осями, ориентированными по оптической оси кристалла. Хорошее количественное совпадение с экспериментальными данными получено при введении в модель нормального распределения частиц по факторам формы, зависящим от соотношения осей эллипсоидов. Показано, что частицы, в основном, имеют сферическую форму, однако, в образцах присутствует значительное количество плоских коллоидных образований.

3. Показано, что в результате температурных преобразований происходит увеличение поляризационного отношения, описывающего дихроизм пьедестала, до значений, характерных для шарообразной формы коллоидных частиц. Следовательно, при термическом отжиге происходит полное разрушение плоских образований на более мелкие частицы, форма которых приближается к шарообразной.

4. На основе исследования свойств оптической анизотропии предложен метод разделения полос в спектрах поглощения и люминесценции одноосных кристаллов, в котором в роли коэффициентов разложения спектров выступают поляризационные отношения. Данный метод позволяет

произвести разделение полос вне зависимости от их формы и степени взаимного перекрытия.

5. Обнаружено, что после высокотемпературного отжига (выше 500° С) в облученных нейтронами монокристаллах лейкосапфира появляется не исследованный ранее тип центров окраски, обладающих полосой поглощения с максимумом при 457 нм и сопряженными ей полосами люминесценции при 530 и 615 нм. Первая из полос люминесценции была выделена при помощи метода разложения спектров, предложенного в данной работе. Методом поляризационных отношений определены ориентации дипольных моментов переходов данного центра окраски.

6. Установлено, что момент перехода, ответственный за полосы поглощения при 457 нм и люминесценции при 530 и 615 нм, аппроксимируется

линейным осциллятором, ориентированным под углом (67±5)° к оптической оси кристалла.

7. Предложена структурная модель нового типа центров окраски, представляющая собой две соседние анионные вакансии, лежащие в одной кислородной плоскости (0001) кристалла лейкосапфира. С учетом влияния кристаллического поля, такой F2 - центр будет иметь ориентации дипольных моментов переходов, несколько отличающиеся от направления перпендикулярного оси С3 кристалла.

Публикации по теме диссертации

1. Зилов С.А., Григоров В.А., Мартынович Е.Ф., Чумак В.В. Поляризованная люминесценция в инфракрасной области спектра центров окраски в ос -AI2O3.// Оптика и спектроскопия.-1992.-т.72, вып.4.- С.108-112.

2. Зилов С.А., Григоров В.А., Мартынович Е.Ф., Чумак В.В.. Механизм образования и преобразования центров окраски в монокристаллах (X-AI2O3. //ФТТ-. 1991.- Т. 33. В. 8. -С.117- 121.

3. Зилов С.А., Григоров В.А., Чумак В.В., Мартынович Е.Ф. Линейный дихроизм бесструктурной полосы поглощения "пьедестала" в нейтронно -облученном лейкосапфире.//Оптика и спектроскопия. - 1989.- Т. 71., В.6.-С. 972-973.

4. Zilov S.A., Grigorov V.A., Martynovich Y.F., Chumack. V.V. Creation mechanism and optical properties of color centers in (X-AI2O3 irradiated by neutrons. : Proceedings of the ХП International conference on defects in insulated materials (ICDIM 92). (Ed. O. Kanert and J.M. Spaeth).- 1993, World Scientific, Publishing Co. Pte. Ltd. - Vol. 2 - P.844-846.

5. Zilov S.A., Grigorov V.A., Martynovich Y.F., Chumack V.V. Thermally stimulated processes of color centers creating in sapphire irradiated by neutrons.:

Proc. Conf. Luminescent detectors and transformers of ionizing radiation, LUMDETR91 - Riga.,1991.- P.42.

6. Зилов C.A., Григоров B.A., Мартынович Е.Ф., Чумак В.В.. Термическая стабильность ИК-центров окраски в кристаллах a- AI2O3 облученных нейтронами. :Тез. докл. VII Всесоюзн. конф. по радиационной физике и химии неорганических материалов - Рига,1989.- С.363-364.

7. Чумак В.В., Зилов С.А., Григоров В.А., Е.В. Чумак. Влияние распределения коллоидных частиц алюминия по форме на дихроизм бесструктурной полосы поглощения в нейтронно - облученном a- AI2O3.// Оптика и спектроскопия. - 1996.- Т.80. вып.6.- С.929-931.

8. Zilov S. A., Chumak V. V., Grigorov V. A., Martinovich Е. F. Dichroism of unstructured band in neutron - irradiated supphire. :VIII International conference on radiation effects in insulators (REI - 8). Abstracts. - Catania, Italy - Sept. 1115, 1995- P.5.30.

9. Zilov S. A., Chumak V. V., Grigorov V. A., Martinovich E. F., Opanasenko D.N.. Neutron-Induced linear dichroism of sapphire on : Abstracts The 7th International Conference Radiation Effects in Insulators (REI-7) - Nagoya, Japan, 1993. -P.512.

10.Зилов С.А., В. В. Чумак, Григоров В.А., М. А. Перов. Метод разделения полос в спектрах поглощения одноосных кристаллов на основе поляризационных отношений.// Журнал прикладной спектроскопии.- 1996.-T.63,N2.- С.345-349.

11.Zilov S. A., Chumak V. V., Grigorov V. A. Structure model of color center in neutron - irradiated supphire emitting in the range of 615 nm.: VIII International conference on radiation effects in insulators (REI- 8) Abstracts.- Catania, Italy, Sept. 11 -15, 1995 - P-1.24.

12. Zilov, V. V. Chumak, V. A. Grigorov, E. F. Martinovich, D.N. Opanasenko. Some color centers polarized luminescence in sapphire irradiated neutrons : Abstracts International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter (ICL 93) - Connecticut, USA, 1993- P.28.

¡З.Григоров В. А., Чумак B.B., Зилов С. А.. Красная люминесценция монокристаллов а-А120з облученных быстрыми нейтронами.: Тезисы докладов, III Международная конференция "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" - Томск., 1997 - с.176.

14.3илов С. А., Чумак В.В., Григоров В.А.. Центры окраски, люминесцирующие в области 530 и 615 нм в облученном нейтронами лейкосапфире.: Тезисы докладов, 9 -ая международная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов,- Томск, 1996.-С.167.

15.3илов С.А., Чумак В.В., Григоров В.А.. Поляризованная люминесценция в области 615 нм центров окраски в а- А120з.:Труды VIII международной

школы-семинара «Люминесценция и лазерная физика».- Иркутск, 2003 -С.3-7

16-Grigorov V. A., Zilov S. A., Martinovich Е. F., Mironov V. P., Chumak. V. V. Nonlinear - absorbing medium for passive laser Q - switches based on color centers diamond and a- AI2O3 monociystal. : VIII International conference on radiation effects in insulators (REI - 8), Catania, Italy. Abstracts. - Sept. 11 -15, 1995 - P5.17.

17.Григоров В.А., Зилов С.А., Мартынович Е.Ф., Чумак В.В.. Перестраиваемые лазеры и элементы управления оптическим излучением на основе монокристаллов a- AI2O3 с центрами окраски.: Тез. докл. конф. "Применение лазеров в науке и технике" - Иркутск, 1988.- С.13-15.

18.Григоров В.А., Зилов С.А., Мартынович Е.Ф., Петров М.В., Ткачук A.M., Чумак В.В.. Нелинейный насыщающийся фильтр на основе кристаллаа-AI2O3 с центрами окраски для пассивного лазерного затвора на длину волны в области 0,8-0,91 мкм.: Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. "Физика диэлектриков", Сер.6, Материалы, Вып.З(289).-1988,- С.38-40.

19.Чумак В.В., Зилов С.А., Кузнецова Г.А., Тарасова Г.В. Исследования структурных изменений в решетке нейтронно — облученного лейкосапфира: Тез. докл. конф. Применение рентгеновских лучей в науке и технике.-Иркутск, 1995 - С. 17-19.

20.3илов С.А., В. В. Чумак, Григоров В.А., Е. В. Чумак. Исследование линейного дихроизма бесструктурной полосы поглощения ("пьедестала") в нейтронно - облученном лейкосапфире.: Материалы научно-техн. конф. Вып.2, часть 1. - Иркутск, 1997.- С.99-101.

21.Григоров В.А., Чумак В.В., Зилов С.А.. Красная люминесценция а-А12Оз , облученных реакторным излучением.: Тез. докл. Материалы научно-техн. конф. Вып.2, часть 1 - Иркутск, 1997,- С.98-99.

22.Чумак В. В., Зилов С.А., Григоров В.А., Чумак Е. В.. Теоретическая оценка дихроизма бесструктурной полосы поглощения в нейтронно - облученном лейкосапфире.: Тезисы докладов VI международная конференция Радиационные гетерогенные процессы, (РГП - 6). Часть 1 - Кемерово, 1995. -

23.Zilov S.A., Grigorov V.A., Martynovich Y.F., Chumak V.V. Creation mechanism and optical properties of color centers in a- AI2O3 irradiated by neutrons. : Abstracts International conference on defects in insulated materials (ICDIM 92) : Germany, Nordkirchen.- 1992. -P.205.

C.45-46.

Подписано в печать ОЗ. 2003. Заказ № 7 . Формат 60x90 1/16. Бумага

писчая. Печать офсетная Тираж 100 экз.

Редакционно - издательский отдел Иркутского государственного

университета. 664003, Иркутск, б. Гагарина, 36

(jéoo i 13 б О О

i i

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Чумак, Вера Васильевна

Введение

Глава 1. Методика измерений и экспериментальные установки

1.1. Методы исследования поляризованной люминесценции

1.2. Метод поляризационных отношений

1.3. Экспериментальные образцы 23 1. 4. Экспериментальные установки 24 1. 5. Поляризационные измерения

Глава 2. Роль коллоидов в образовании и преобразовании 27 центров окраски в кристаллах а - А120}

2.1. Исследование структурных изменений в решетке 27 нейтронно-облученного лейкосапфира

2.2. Исследование термических процессов образования и 28 преобразования ЦО

2.3. Кинетика изотермических преобразований центров окраски

2.4. Определение энергии активации центров поглощающих в 32 ближней ИК—области спектра

2.5. Механизм образования и преобразования центров окраски в 32 монокристаллах CI-AI2O

Введение диссертация по физике, на тему "Коллоидные частицы и центры окраски в облученных нейтронами кристаллах лейкосапфира"

В настоящее время монокристаллы лейкосапфира а - AI2O3 нашли широкое применение в электронике и лазерной технике. На основе монокристаллов лейкосапфира с центрами окраски (ЦО) был создан ряд лазерных сред с плавно перестраиваемой частотой генерации излучения [1-б].

Лейкосапфир отличается механической прочностью, высокой твердостью, теплопроводностью, химической и радиационной стойкостью, вследствие чего он широко используются как материал для лазерных сред и пассивных лазерных затворов [7-15]. Технология выращивания монокристаллов хорошо отработана. Обычно применяются кристаллы лейкосапфира с центрами окраски, создаваемыми при нейтронном облучении.

В последние годы интенсивно изучаются дозиметрические свойства анион-дефектных кристаллов а - А120з} на их основе создан ряд термолюминесцентных детекторов, в которых основные дозиметрические пики связаны с полосами люминесценции F+ и F — центров [16-18]. В качестве фотолюминесцентных дозиметров широко используются, в частности, кристаллы а - А^Оз'.С [19].

Применение лейкосапфира в указанных направлениях требует детального изучения характеристик ЦО, формирующихся при радиационных воздействиях.

Структура кристаллической решетки определяет структуру и симметрию возможных центров окраски в данном кристалле. Особенностью структуры кристаллов а - AI2O3 является большое разнообразие возможных структурных типов центров окраски [20]. Так, если в щелочно-галоидных кристаллах возможен один тип F - центра, один тип F2 — центра и один тип F3

- центра, то в решетке а - AI2O3 возможен один тип F - центра, четыре типа

F2 — центров и шесть типов F3 - центров (без учета зарядового состояния). Еще большее количество возможных структурных типов центров мы получим, если будем рассматривать центры, связанные с межузельным Alj или примесными ионами.

Многообразие центров окраски приводит к появлению большого числа полос поглощения и люминесценции, часто перекрывающихся между собой. Для идентификации полос с определенными центрами окраски необходима разработка и применение специальных методы разделения полос в спектрах поглощения и люминесценции.

Оптическая анизотропия монокристаллов лейкосапфира, а также анизотропия поглощения и люминесценции центров окраски требуют применения поляризационных методов исследования кристаллов а - AI2O3.

В спектрах поглощения монокристаллов лейкосапфира наряду с полосами, характерными для центров окраски, наблюдается бесструктурная полоса поглощения, так называемый, пьедестал. Оказалось, что данная полоса обладает довольно сильным дихроизмом. Ряд авторов связывает появление пьедестала с образованием коллоидных частиц А1п в процессе нейтронного облучения и последующего отжига [21]. Одной из задач работы является выяснение роли коллоидных частиц А1 в термических процессах образования и преобразования центров окраски в нейтронно-облученных кристаллах а - AI2O3 ,

Бесструктурное поглощение является одной из проблем оптических материалов на основе кристаллов лейкосапфира, так как служит источником оптических потерь [24]. В ряде случаев термический отжиг сопровождается разрушением коллоидных частиц, что снижает оптические потери и увеличивает эффективность лазерных элементов и пассивных лазерных затворов [25]. Однако часто при этом разрушаются и полезные центры окраски. Поэтому желательно применять методы селективного разрушения коллоидных частиц, например лазерный отжиг [26,27]. Указанные проблемы требуют детального исследования поглощения связанного с коллоидными частицами, в том числе его дихроизма.

В последние годы, в связи с развитием фемтосекундной оптики, особую актуальность приобретают оптические материалы, обладающие широким спектром фоточувствительности, позволяющие избежать амплитудной фильтрации фемтосекундных импульсов. В этом отношении оптические материалы на основе кристаллов сапфира, содержащих коллоидные центры, обладающие широкими спектрами поглощения, представляются перспективными.

В настоящее время появился интерес к наночастицам, полученным, в том числе, в результате имплантации ионов различных металлов в приповерхностные слои кристаллов лейкосапфира [22,23]. Известно, что наночастицы образуются в результате термических преобразований коллоидных частиц. Данный факт делает актуальными исследования формы и размеров коллоидных частиц и их температурных преобразований.

Применение различных методов термообработки приводит к появлению новых типов центров окраски, исследование которых также представляет актуальную задачу. После высокотемпературного отжига (температура отжига 500-700 С0) образцов лейкосапфира в оптических спектрах появляются новые полосы люминесценции с максимумами при 530 нм и 615 нм, имеющие максимум возбуждения при 457 нм. Эти полосы принадлежат ранее не изученному типу центров окраски. Полосы поглощения и люминесценции данных центров сильно перекрываются с полосами других центров окраски (ЦО с полосой поглощения 450 нм и люминесценции на 560 нм). Для установления природы и структурной модели данных центров окраски, в работе исследовалась их поляризованная люминесценция, определялись типы и ориентации осцилляторов, которыми аппроксимируются переходы в центре окраски.

В связи с актуальностью указанных проблем в работе поставлены следующие задачи:

- установить закономерности процессов образования и преобразования центров окраски при изохронном и изотермическом отжиге облученных нейтронами кристаллов а - AI2O3;

Научная новизна работы.

1. Исследована роль коллоидных частиц алюминия в процессах образования и преобразования центров окраски в образцах лейкосапфира, облученных нейтронами. Рассмотрена кинетика образования центров окраски, из которой следует, что центры окраски в облученных нейтронами кристаллах а - AI2O3 образуются не однородно по всему объему кристалла, а локализованы вблизи коллоидных частиц алюминия, играющих роль дефекта, в результате распада которого при термическом отжиге образуются агрегатные центры окраски.

2. На основе теории рассеяния света средами, содержащими малые частицы, сделаны оценки дихроизма бесструктурной полосы поглощения -пьедестала, обусловленной наличием коллоидных частиц алюминия в облученных нейтронами кристаллах a - AI2O3. Форма коллоидных частиц аппроксимирована эллипсоидами, с малой осью совпадающей по направлению с оптической осью кристалла. Анализ сделан для нормального гауссового распределения частиц по факторам формы f, зависящим от соотношения осей эллипсоидов. В качестве параметра, характеризующего дихроизм, рассматривалось отношение Ак - ки / kL, где ки и kL - коэффициенты поглощения света, поляризованного параллельно и перпендикулярно оптической оси кристалла, соответственно. Получено хорошее количественное совпадение экспериментальных и расчетных данных.

Результаты приведенных исследований использованы для разработки новых пассивных лазерных затворов и лазерных элементов на основе монокристаллов лейкосапфира с центрами окраски.

Исследования бесструктурной полосы поглощения - пьедестала, могут служить основой для разработки методов селективного разрушения коллоидных частиц, в результате применения которых могут быть снижены оптические потери и увеличена эффективность лазерных элементов и пассивных лазерных затворов на основе монокристаллов лейкосапфира.

1. Термические преобразования центров окраски, поглощающих в ближней инфракрасной области, и образование агрегатных центров в облученных to 1Q Л нейтронами монокристаллах а - AI2O3 (флюенс 10 -10 см" ) происходят в результате "короткой" диффузии в локальных областях вблизи коллоидных частиц алюминия.

2. Предложенная модель, включающая аппроксимацию коллоидных образований алюминия плоскими эллипсоидами с широким диапазоном соотношения осей и введение статистического распределения коллоидных частиц по факторам формы, адекватно описывает дихроизм бесструктурной полосы поглощения. Модель основана на теории поглощения и рассеяния света средами, содержащими малые частицы, в качестве которых рассматриваются коллоидные центры алюминия, образующиеся при облучении кристаллов а - AI2O3 нейтронами.

Краткое содержание работы.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

5.8. Основные выводы главы

Анализ измеренных поляризационных отношений показывает:

1. Переход, связанный с полосой поглощения 460 нм исследуемых ЦО, описывается диполем, ориентированным под углом а = 65°± 4° к оптической оси кристалла.

2. Переходы в ЦО обуславливающие полосы люминесценции 530 и 615 нм также аппроксимируются линейными осцилляторами, ориентированными под углами а 2=67°±4° к оптической оси кристалла.

3. Поляризационные отношения для полос люминесценции 530 и 615 нм одинаковы, что указывает на их принадлежность к одному центру.

4. Угол между проекциями поглощающего и излучающего осцилляторов на плоскость (0001) ср = 0° в пределах погрешности эксперимента.

5. Наиболее вероятная модель исследуемого центра окраски - один из F2 центров, а именно две вакансии, лежащие в плоскости 0001. Учитывая влияние кристаллического поля, такой F2 - центр будет иметь ориентации дипольных моментов переходов несколько отличающиеся от направления перпендикулярного оси Сз кристалла.

Заключение

В итоге выполненных экспериментальных и теоретических исследований получены следующие результаты.

1. Показана роль коллоидных частиц алюминия в процессах образования и термического преобразования центров окраски в облученных нейтронами кристаллах лейкосапфира. Установлено, что центры окраски образуются не однородно по всему объему кристалла, а локализованы вблизи коллоидных частиц алюминия. Температурные преобразования центров окраски и образование агрегатных центров происходят здесь в результате "короткой" диффузии в локальных областях и обусловлены термическим разрушением коллоидных частиц алюминия. При этом энергия активации "короткой" диффузии в облученных нейтронами кристаллах лейкосапфира меньше, чем энергия активации диффузии в бездефектном кристалле. Это позволяет осуществлять термические преобразования центров окраски при относительно низких температурах 200-600° С.

3. Показано, что в результате температурных преобразований происходит увеличение поляризационного отношения, описывающего дихроизм пьедестала, до значений, характерных для шарообразной формы коллоидных частиц. Следовательно, при термическом отжиге происходит полное разрушение плоских образований, на более мелкие частицы, форма которых приближается к шарообразной.

6. Установлено, что момент перехода, ответственный за полосы поглощения при 457 нм и люминесценции при 530 и 615 нм, аппроксимируется линейным осциллятором, ориентированным под углом (67±5)° к оптической оси кристалла.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Чумак, Вера Васильевна, Иркутск

1. Мартынович Е.Ф., Токарев А.Г., Григоров В.А. Генерация лазерного излучения центрами окраски в a- A1.O3 //Журн.техн.физ.-1985.-Т.55, вып.2,-С.411-412.

2. Мартынович Е.Ф., Токарев А.Г. Генерация лазерного излучения в области 1мкм центрами окраски в a- AI2O3 //Журн.техн.физ.- 1985-Т.55, вып. 10.-С.2038-2039.

3. Martinovich Е. F., Tokarev A.G., Grigorov V. A. AI2O3 color center lasing in near infrared at 300 YJI Optic. Commun.-1985.-V.53, №4. P.254-256.

4. Martinovich E. F., Baryshnikov V.I., Grigorov V. A. Lasing in AI2O3 color centers at room temperature in the visible // Optic. Commun.-1985.-V.53, №4.-P.257-258.

5. Войтович А.П., Гринкевич В.Э., Кононов B.A. и др. Особенности генерации излучения в ближней ИК-области спектра на кристалле сапфира с радиационными центрами окраски// Журн. прикладной спектроскопии. — 1985.-Т.43, №6.-С.932-937.

6. Войтович А.П., Гринкевич В.Э., Калинов B.C., Кононов В.А., Михнов С.А. Спектроскопические и генерационные характеристики кристаллов сапфира с центрами окраски в области 1.0 мкм// Квантовая электроника.-1988.-Т.15, №2.-С.932-937.

7. Grigorov V.A., Zilov S.A., Martynovich Y.F., Opanasenko D.N. Nonlinear-absorbing medium for passive laser shutter in 0.8-1.08 jam spectral region based on color center a- AI2O3 monocrystal.: Solid State Lasers and New Laser

8. Materials (Ed. V.V. Osiko, Associate Editors: A.A. Mak, A.Z. Grasiuk )- Proc. SPIE, 1992.- Vol.1839.- P.274-278.

9. Мартынович Е.Ф., Григоров В.А., Токарев А.Г., Зилов С.А. Новые центры окраски LiF и a- AI2O3 и лазерные элементы на их основе. :Тез. докл.

10. Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград.- 1984.- С. 130-131.

11. Мартынович Е.Ф., Григоров В.А., Токарев А.Г., Зилов С.А. Новые центры окраски в монокристаллах LiF и a- AI2O3 и элементыперестраиваемых лазеров на их основе. // В кн. "Перестраиваемые по частоте лазеры", Новосибирск: ИТФ.- 1984.- С. 105-108.

12. Григоров В. А., Зилов С. А., Мартынович Е.Ф., Чумак В.В. Перестраиваемые лазеры и элементы управления оптическим излучением на основе монокристаллов a- AI2O3 с центрами окраски.: Тез. докл. конф.

13. Применение лазеров в науке и технике" Иркутск, 1988.- С. 13-15.

14. Токарев А.Г., Мартынович Е.Ф., Зилов С.А. Перестраиваемое лазерное излучение, нелинейное поглощение и антистоксова люминесценция центров окраски в a- AI2O3.// Известия вузов.- 1987.- Т.ЗО, N10.- С.41-46.

15. Никифоров С.В., Мильман И.И., Кортов B.C. Спектральные особенности термолюминесценции аниондефектных кристаллов ос- AI2O3.: Тез. докл. 9 -аямеждународная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов Томск ,1996.- С.296-297.

16. Weinstein I., Kortov V. The shape and the temperature dependence of the main in UV absorption spectra of TLL- dosimetric cristals // Radiation Measur.-2001.- Vol. 33 (5).- P.763-767.

17. Кортов B.C., Никифоров C.B., Мильман И.И., Пеленев B.E. Механизм люминесценции F- центров в анион-дефектных монокристаллах оксида алюминия // ФТТ-2003 Т.45 , № 7. - С. 1202-1208.

18. Yasuda Н., Kobayashi I., Morishima Н. Decaying patterns of optically stimulated luminescence from а-А12Оз:С for different quality radiations// J. Nnucl. Sci. Technol.- 2002.- Vol.39(l).- P.211-213

19. Зилов C.A., Мартынович Е.Ф. Структурные модели центров окраски в лейкосапфире.: Тез. докл. II конф.молодых ученых, Иркутск.- 1984.- С.78-79.

20. Pells G.P., Stathopoulos A.Y. Radiation damage in the cation sublattice jn alpha-AI2O3. //Radiation Effects 1983. - V. 74. - P. 181-191.

21. Степанов A.JI. Синтез наночастиц меди в сапфире методом ионной имплантации. //Письм. Жур. Тех. Физ. 2002 - Т.28 , Вып. 20 - С 58-65.

22. Monteiro T, Boemare С., Soares M. J. Luminescence and structural studies of iron implanted a-Al203 // Nnucl. Instr. Meth.- 2002.- Vol.191(1-4).- P.638-643

23. Мартынович Е.Ф., Барышников В.И., Григоров В.А., и др Способ приготовления лазерных материалов на основе кристалла a- AI2O3 сцентрами окраски //А.С. СССР №1435118. Приоритет 21.08.85.

24. Григоров В.А., Мартынович Е.Ф. Активный элемент лазера (его варианты), способ приготовления активных элементов, лазер //А.С. СССР №98268. Приоритет 18.04.80.

25. Basiev Т.Т., Mirrov S.B. and Osiko V.V. Room color center lasers.//IEEI J. Q.E. 1988. - Vol. 24(6). - P.1052 -1069.

26. Пантел P., Путхоф Г. Основы квантовой электроники. Пер. с англ. -М.:Мир,1972. 327 с.

27. Вавилов С.И. Собр. соч. т.1. М.: Изд. АН СССР 1952. - 564с.

28. Вавилов С.И. Собр. соч. т.И. М.: Изд. АН СССР 1952. - 417с.

29. Феофилов П.П. Поляризованная люминесценция атомов, молекул, кристаллов. М.: Физматгиз, 1959.-320с.

30. Феофилов П.П. Поляризованная люминесценция F центров в кристаллах СаР2//Доклады АН СССР.-1953.-Т.92, №3-С.545-578.

31. Феофилов П.П. Поляризованная люминесценция F центров в кристаллах щелочно-галоидных солей //Доклады АН СССР.-1953.-Т.92, №4 - С.743-746.

32. Винецкий В.А., Деиген М. Ф. О поляризованной люминесценции окрашенных кристаллов // Оптика и спектроскопия.-1958.-Т.4, вып.5.-С.602-620

33. Архангельская В.А., Феофилов П.П. Явление Зеемана для анизотропных центров в кубической кристаллической решетке// Оптика и спектроскопия.-1958.-Т.4, вып.1.-С.60-65.

34. Букке Е.Е., Григорьев Н.Н., Фок J1.B. Применение метода поляризационных диаграмм для исследования одноосных кристаллов// Труды ФИ АН.-1974.-Т.79.-С. 108-114.

35. Clark С.Р., Norris С.А. The polarization of luminescence associated with the04250 and 5032 A centers in diamond //J. Phys.-(C).-1970.-V3.-P.651-658.

36. Lee K.H., Crawford I.H. Electron centers in single crystal AI2O3 // Phys. Rev.:

37. Solid. Stat. 1977. - V.15. N.8. - P.4065-4076.

38. Спрингис M.E. Применение метода поляризационных отношений для исследования точечных дефектов в кристаллах а AI2O3 // Известия АН

39. Латв. ССР. Серия физ. и тех. наук.- 1980, N 4.- С. 38-46.

40. Зилов С.А., Григоров В.А., Мартынович Е.Ф., Чумак В.В. Поляризованная люминесценция в инфракрасной области спектра центров окраски в а AI2O3.// Оптика и спектроскопия,-1992.-t.72, вып.4.- СЛ 08-112.

41. Мартынович Е.Ф., Григоров В.А., Токарев А.Г., Зилов С.А. Люминесценция центров окраски ос AI2O3.// Тез. докл. IV Всес. конф.

42. Люминесцентные приемники и преобразователи рентгеновского излучения", Иркутск.- 1982.-С.14.

43. Зилов С.А., Мартынович Е.Ф. Структурная модель центра окраски лейкосапфира люминесцирующего в области 2,25 эВ.// Тез. докл. V Всесоюз.совещания по радиационной физике и химии ионных кристаллов. Рига,1983.-С.378-379.

44. Мартынович Е.Ф., Григоров В.А., Токарев А.Г., Зилов С.А., Назаров В.М. Люминесценция центров окраски в кристаллах а AI2O3. // В кн.

45. Люминесцентные приемники и преобразователи рентгеновского излучения", Новосибирск, 1985.- С.132-135.

46. Мартынович Е.Ф., Токарев А.Г., Зилов С.А. Поляризованная люминесценция в видимой и инфракрасной областях спектра центров окраски в а AI2O3.// Оптика и спектроскопия.- 1986.- Т.61, вып.2.- С.338-341.

47. Мартынович Е.Ф., Токарев А.Г., Зилов С.А. Оптические свойства центров окраски в а AI2O3 люминесцирующих в видимой и ИК -областяхспектра.// Укр. физ. журнал.- 1987.- Т.32, N8.- С.1173-1179.

48. Ivanov N.A., Penzina Е.Е., and Zilov S.A. Peculiarities of Polarization of Colour Centre Red Emission in Heavily Irradiated Mg Doped LiF Crystals. // Phys. Stat. Sol. (b).-1999.- V.213.- P.197-202.

49. Иванов H.A., Пензина Э.Э., Зилов C.A. Проявление эффекта Яна-Теллера в поляризации красной люминесценции центров окраски в у -облученном LiF:Mg : Тезисы докладов Российская конференция "Люминесценция и сопутствующие явления" Иркутск.- 1999. - С. 42-44.

50. Иванов Н.А., Пензина Э.Э., Зилов С.А. Механизмы деполяризации люминесценции центров окраски с максимумом люминесценции 670 нм в гамма-облученных кристаллах LiF:Mg.// Опт. и Спектр.-2002.- Т.92, N1 -С.69-72.

51. Atobe К., Nishimoto N., Nakagawa М. Irradiation indused aggregate centers in single cristal a- AI2O3 // Phys. Stat. Sol. (a) - 1985. - V. 89. - P. 155-162.

52. Михнов С. А., Усков В. И. Абсорбционно-люминесцентные спектры лейкосапфира облученного нейтронами // ЖПС. 1985. - Т. 42. № 6.- С. 940944.

53. Oishi Y., Kingery W. D. Self-diffusion of oxygen in single crystal and polycrystalline aluminum oxide // The Journal of Chemical Physics -1960. V. 33.№ 2. - P. 480-486.

54. Барышников В.И., Колесникова Т.А., Мартынович Е.Ф., Щепина JI.И. Механизмы преобразования и разрушения центров окраски в монокристаллах a- AI2O3 //ФТТ.- 1990. -Т.32. № 1. С. 291-293.

55. Jefferies В., Summers G. P., Crawford I. Н. F-center fluorescence in neutron bombarded sapphire//J. Appl. Phys. 1980. - V. 51. № 7. - P. 3984-3986.

56. Барышников В.И., Мартынович Е.Ф., Щепина Л.И. , Колесникова Т.А. //Опт. и спектр. 1988. - Т.64. № 2. - С. 455-457.

57. Зилов С.А., Григоров В.А., Мартынович Е.Ф., Чумак В.В. Механизм образования и преобразования центров окраски в монокристаллах 01-AI2O3.//

58. ФТТ-. 1991.- Т. 33. В. 8.-С.117- 121.

59. Зилов С.А., Григоров В.А., Чумак В.В., Мартынович Е.Ф. Линейный дихроизм бесструктурной полосы поглощения "пьедестала" в нейтронно-облученном лейкосапфире.// Опт. и спектр.- 1989. Т. 71., В.6. - С. 972-973.

60. Pells G.P., Phillips Р.С. Radiation damage of AI2O3 in the HVEM // J. Of Nuclear Materials.-1979.- V. 80. -P. 215-222.

61. Чумак B.B., Зилов C.A., Кузнецова Г.А., Тарасова Г.В. Исследования структурных изменений в решетке нейтронно облученного лейкосапфира : Тез. докл. конф. Применение рентгеновских лучей в науке и технике.-Иркутск, 1995 - С. 17-19.

62. Tanabe Т., Fujiwara М., Miyazaki К. Energetic particle induced luminescence of cc-AI2O3 //J. Nnucl. Mater.- 1996.- Vol.233-237(2).- P.l344-1348.

63. Дине.Д., Вынйард Д. Радиационные эффекты в твердых телах.- М.: Изд-во иностранной литературы, I960.- 402 С.

64. Сюрдо А.И., Кортов B.C., Мильман И.И. Люминесценция F-центров в корунде с радиационными нарушениями // Опт. и спектр. 1988. - Т. 64. В. 6. - С. 1363-1366.

65. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы М.: Наука, 1986. - 367 с.

66. Петров Ю.И. Физика малых частиц М.: Наука, 1982. - 359 с.

67. Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М: Изд-во иностранной литературы, 1961. - 264с.

68. Чумак В.В., Зилов С.А., Григоров В.А., Е.В. Чумак. Влияние распределения коллоидных частиц алюминия по форме на дихроизм бесструктурной полосы поглощения в нейтронно облученном a- AI2O3.//

69. Оптика и спектроскопия. 1996.- Т.80. вып.6.- С.929-931.

70. Zilov S. A., Chumak V. V., Grigorov V. A., Martinovich E. F., Opanasenko D.N. Neutron-Induced linear dichroism of sapphire on : Abstracts The 7th International Conference Radiation Effects in Insulators (REI-7) Nagoya, Japan, 1993.-P.512.

71. Зилов C.A., В. В Чумак, Григоров В.А., Е. В. Чумак. Исследование линейного дихроизма бесструктурной полосы поглощения ("пьедестала") в нейтронно облученном лейкосапфире. : Материалы научно-техн. конф. Вып.2, часть 1. - Иркутск, 1997.- С.99-101.

72. Тяжелова В.Г. Определение параметров спектральных составляющих путем статистической обработки отдельных участков спектральной кривой. //ЖПС. 1969. - Т. 10. В. 1.- С.22-27.

73. Антипова-Каратаева И.И., Архипова С.Ф. и др. О неоднозначности математического разложения перекрытых спектральных полос методом затухающих наименьших квадратов. //ЖПС. 1969.- Т.10. В.З. - С. 480 -486.

74. Фок М.В. Разделение сложных спектров на индивидуальные полосы при помощи обобщенного метода Аленцева. // Труды ФИАН. 1972. - Т. 59. - С.3-24.

75. Springis M.I., Valbis I.A. Visible luminescence of color centres in sapphire // Phys. Stat. Sol.(b).- 1984. V.123. - P.335-343.

76. Зилов C.A., В. В Чумак, Григоров В.А., М. А. Перов. Метод разделения полос в спектрах поглощения одноосных кристаллов на основе поляризационных отношений.// Ж. прикладной спектроскопии.- 1996.-T.63,N2.- С.345-349.

77. Шаскольская М.П. Кристаллография М.: Высшая школа, 1976. - 400с.

78. Костов И.Е. Кристаллография М.: Мир, 1965. - 386с.

79. Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики М.: Мисис, 1996-431 с.

80. Welch L.S., Hughes А.Е., Pells G.P. Polarized luminescence of an aggregate defect center in a-Al203 //J. De Physique.-1980.-V.7, № 41.- Pc.533-536.

81. Springis M.I., Valbis I.A. Red luminescnce of color centere in sapphire // Phys. Stat. Sol. (b) .-1985.-V.132.- P.K61- K65.

82. Jacobs P.W.M., Kotomin Calculations of oxygen vacancy hopping in а-АЬОз.: Proceeding of the XII International Conference on Defects in insulating materials. VI -WSP,1993-P. 216-218.

83. Мартынович Е.Ф., Токарев А.Г., Зилов C.A. Поляризованная люминесценция в видимой и инфракрасной областях спектра центров окраски в а-АЬОз-//Оптика и спектроскопия.- 1986.- Т.61, вып.2.- С.338-341.

84. Evans B.D., Stapelbroek M. Optical vibronic absorption spectra in 14,8 Mev. neutron damaged sapphire // Sol. State. Commun. 1980. - V.33.№ 7. - P. 765770.

85. Evans B.D., Stapelbroek M. Optical properties of the F+ centers in cristalline AI2O3 // Phys. Rev. B. 1978. - V.18.№ 12. - P. 7089-7098.

86. Григоров B.A., Чумак B.B., Зилов C.A. Красная люминесценция монокристаллов а-АЬОз облученных быстрыми нейтронами.: Тезисы докладов, III Международная конференция "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" Томск., 1997 - с.176.

87. Григоров В.А., Чумак В.В., Зилов С.А. Красная люминесценция 0C-AI2O3 , облученных реакторным излучением.:Тез. докл. Материалы научно-техн. конф. Вып.2, часть 1 Иркутск, 1997.- С.98-99.

88. Evans B.D., Pogatshnic G.L., Chen Y. Optical properties of lattice defects in AI2O3 // .// Nucl. Instrum. Meth. 1994. - Vol. 91. - P.258.

89. Toshima R., Miyfmuru H., Asahara J., Murasava Т., Takahshi A. Ion-indused luminescence of alumina with time- resolved spectroscopy //J. Nucl. Sci. Technol.-2002.- Vol.39(l).- P.15-18

90. Lee K.N., Crawford I.H. Electron centers in single criystal AI2O3 // Phys. Rev.

91. B. 1977. -V.15.-№ 8. P. 4065-4070.

92. Гульчук П.Ф., Литвинов Л.А., Петренко П.В., Чернина Э.А. Агрегатные центры в корунде // Ж. прикладной спектроскопии.-1985.- Т.28, N1 .- С. 132137.

93. Барышников В.И., Мартынович Е.Ф. Преобразование центров окраски в монокристаллах лейкосапфира// ФТТ.-1986.- Т.28, вып.4 С.1258-1260.

94. Tanabe Т., Fujiwara М., Miyazaki К. Energetic particle induced luminescence of a-Al203 //J. Nucl. Mater.- 1996.- Vol.233-237(2).- P. 1344-1348.

95. Зилов С.А., Чумак B.B., Григоров В.А. Поляризованная люминесценция в области 615нм центров окраски в а-А120з.:Труды VIII международной школы-семинара «Люминесценция и лазерная физика».- Иркутск, 2003 -С.3-7