Механизм формирования быстрой радиолюминесценции в органических полупроводниках и диэлектриках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

 оо

сп

СГ>

о о_

г.о *<г

-3“

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ

На правах рукопису Тарасенко Олег Анатолійович

УДК 537.222.2:535.376

МЕХАНІЗМ ФОРМУВАННЯ ШВИДКОЇ РАДІОЛЮМІНЕСЦЕНЦІЇ В ОРГАНІЧНИХ НАПІВПРОВІДНИКАХ ТА ДІЕЛЕКТРИКАХ

01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Харків -1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті монокристалів НАН України, м.Харків

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник Галунов Микола Захарович, завідуючий відділом Інституту монокристалів НАН України

старший науковий співробітник

Авдєєнко Анатолій Антонович,

провідний науковий співробітник ФТІНТ НАН

України;

доктор фізико-математичних наук, професор Кошкін Володимир Моісейович, завідуючий кафедрою фізичної хімії Харківського державного політехнічного університету

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

Провідна установа: Харківський державний університет, кафедра фізичної оптики

Захист відбудеться « » « кЛУїнЛ. » 1998 р. о /У год, йо хв на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д.64.169.01 в Інституті монокристалів НАН України (310001, Харків, проспект Леніна, 60)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту монокристалів НАН України

Автореферат розісланий «//? » «_

?иЛ. » 1998 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук

Атрощенко Л.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Механізм швидкої радіолюмінесценції обумовлюється, головним чином, початковими умовами генерації збуджених станів, які залежать від умов взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною, умов генерації, транспорту та рекомбінації носіїв заряду. Вивчення процесу транспорту носіїв заряду у молекулярних органічних системах - це одне з основних питань сучасної теорії органічних напівпровідників та діелектриків. Процес транспорту носіїв заряду в органічних конденсованих середовищах обумовлюється наявністю в них різних структурних дефектів, які є локальними рівнями захоплення. Для дослідження енергетичного спектра подібних пасток широко використовуються такі традиційно відомі експериментальні методи, як метод токів, обмежених просторовим зарядом, методи термо- та фотостимульова-ної провідності та ряд інших [1]. Радіолюмінесценція, зокрема дослідження швидкої компоненти сцинтиляційного імпульсу, це новий нетрадиційний підхід щодо вивчення фізичних процесів в органічних напівпровідниках та діелектриках [2].

Цикл робіт по формуванню основ сучасної теорії сцинтиляційного процесу ще не завершено. Дослідження механізму швидкої радіолюмінесценції надає можливості розширити уявлення про фізику процесів в органічних напівпровідниках та діелектриках, процесів розміну та переносу енергії в органічних (у тому числі й біологічних) молекулярних системах із різною структурною досконалістю.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планами роботи Інституту монокристалів НАН України та провадилась автором при виконанні тем НАН України «Лептон» («Дослідження впливу центрів гасіння різного структурного походження на механізм радіолюмінесценції органічних молекулярних кристалів та рідких сцинтиляторів»), «Лептон-2» («Дослідження механізму розміну енергії зарядових станів, які генеруються під дією іонізуючих випромінювань, на органічні молекулярні системи із різною структурною досконалістю»), «Бозон» («Вплив структури та складу органічних кристалів на їх надмолекулярні та молекулярні властивості»).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є вивчення механізму процесів, що обумовлюють формування імпульсу швидкої радіолюмінесценції в органічних сцинтиляторах. У зв’язку з цим автором проведено:

-доробку експериментальних методів дослідження, які надають можливості вивчати кінетику радіолюмінесценції органічних швидкодіючих систем як малих (< 1 мм), так і великих (2... 150 мм) розмірів із врахуванням кінетики фронту розгорання їх світіння;

-вивчення впливу процесів світлозбирання та реабсорбції на форму швидкої компоненти сцинтиляційного спалаху з метою відокремлення інформації, яка не спотворена впливом цих процесів;

-дослідження особливостей опису швидкої радіолюмінесценції для задач, в яких збудження системи відбувається імпульсом скінченної (не 8-подібної) тривалості;

-оцінку зв’язку між функціями густини ймовірності, що описують розподіл енергій в енергетичній діаграмі кристала, та функціями густини ймовірності, що описують тривалість локалізації носіїв заряду на пастках носіїв заряду як стаціонарних (структурного походження), так і динамічних (поляризаційного походження);

-вивчення залежності параметрів імпульсів радіолюмінесценції від структурних особливостей (рідина - тверде тіло, досконалість структури органічних твердих тіл, наявність контролюємих домішок) об’єктів;

-аналіз особливостей сцинтиляційного процесу, що обумовлюють формування сигналу радіолюмінесценції в областях низької густини активації органічних конденсованих середовищ.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертації одержано такі нові результати:

-математичний опис кінетики сенсибілізованої радіолюмінесценції для джерела збудження скінченної тривалості;

-фізичне обгрунтування правосильності використання зрізаної функції Гауса для опису ефекту додаткової затримки моментів висвітлювання фотонів сцинтиляцій твердотільних органічних напівпровідників та діелектриків;

-експериментальний доказ малої різниці часових параметрів, що визначають додаткову затримку моментів висвітлювання фотонів сцинтиляцій твердотільних систем;

-доказ визначального впливу етапу генерації, міграції та рекомбінації СР-станів на формування швидкої радіолюмінесценції при низьких густинах збудження органічних твердих тіл;

-фізичне обгрунтування експериментально відомих фактів щодо слабкої залежності значень світлового сигналу від температури та зменшення тривалості швидкої радіолюмінесценції зі збільшенням густини збудження;

-уточнення межі використання однофотонного методу дослідження часових параметрів швидкої радіолюмінесценції.

На захист виносяться:

1. Експериментальний доказ кореляції кінетичних параметрів швидкої компоненти сцинтиляційного імпульсу органічних кристалів і пластмасових сцинтиляторів із особливостями їх структури і складу-

2. Загальний опис кінетики сенсибілізованої радіолюмінесценції для довільного типу збудження та його аналіз для конкретних сцинтиляційних систем.

3. Фізичне обгрунтування гаусового характеру опису додаткової затримки моментів висвітлювання фотонів сцинтиляційного імпульсу органічних молекулярних твердотільних систем.

4. Уточнена модель швидкої радіолюмінесценції в органічних конденсованих середовищах.

5. Оцінки фізичної межі використання однофотонного методу дослідження швидкої компоненти імпульсу радіолюмінесценції швидкодіючих сцинтиляційних систем.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що отримані результати можуть бути застосовані як вихідні дані для вирішення технічних задач розробки нових органічних сцинтиляторів, а також при дослідженні характеристик органічних напівпровідникових та діелектричних систем, що розробляються. Крім того, вони викликають інтерес і в суміжних галузях (радіоекологія, радіомедицина, радіаційне матеріалознавство, і т.п.) при моделюванні умов генерації зарядових станів в органічних системах під дією іонізуючого випромінювання.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці та проведенні експериментів; допрацюванні існуючих методів дослідження параметрів кінетики радіолюмінесценції органічних молекулярних

систем як малих, так і великих розмірів; обробці отриманих даних із кінетики та інтенсивності швидкої компоненти сцинтиляційного імпульсу та їх аналізі, який спрямовано на виявлення взаємозалежності між структурою систем, що вивчаються, та їх радіолюмінесцентними властивостями; отриманні опису кінетики сенсибілізованої радіолюмінесценції для джерела збудження довільної форми та його аналізі; уточненні моделі сцинтиляційного процесу в областях низької густини активації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на наступних міжнародних конференціях: Міждержавній конференції «Сцинтиляторы-93» (Харків, 1993); Міжнародній конференції по люмінесценції (Москва, 1994); 2nd European conference on Molecular Electronics (Клостер-Бенц, 1994); International school-conference «Electronic processes in organic materials» (Київ, 1995); Міжнародній конференції «Физика и химия органических люминофоров» (Харків, 1995).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 робіт.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаних джерел - із 116 найменувань; вона викладена на 154 сторінках, вміщує 16 рисунків та 8 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовані ціль та задачі дослідження, наукова новизна та практичне значення результатів, що отримані, а також основні наукові положення, які виносяться на захист.

У першому розділі проведено огляд літературних даних. Показано, що у випадку радіолюмінесценції твердотільних систем можливим є опис форми імпульсу радіолюмінесценції у вигляді:

*(0 = {/о('-0ехр(4/т)^, (1)

о

де

/о(0~ехр(-(/-Д)2/2сг2), (2)

t - час після збудження, т - стала згасання імпульсу швидкої радіолюмінесценції, А і а - сталі часу. В (1) функція (2) описує додаткову затримку моментів висвітлювання фотонів радіолюмінесценції, яку можливо пояснити лише враховуючи етапи, що передують генерації збуджених молекул основної, за кількісним складом, речовини сцинтилятора. Процес формування швидкої радіолюмінесценції в органічних напівпровідниках та діелектриках, на відміну від фотолюмінесценції, визначається ще й умовами генерації, транспорту та рекомбінації носіїв заряду, які, внаслідок локалізації на індивідуальних молекулах, можуть утворювати поляронні стани.

Ефекти, що спостерігаються (зокрема ефект додаткової затримки моментів висвітлювання фотонів сцинтиляційного імпульсу), знайшли, в основному, лише якісне пояснення. Для доказу правосильності опису ефекту додаткової затримки за допомогою зрізаної функції Гауса (2) потрібен точний аналіз процесу, що вивчається. Він повинен базуватися на експериментальних даних із кінетики та інтенсивності радіолюмінесценції органічних молекулярних систем та враховувати основні результати сучасної теорії фізики напівпровідників та діелектриків. Окрім того, на цей час відсутні експериментальні дані щодо дослідження швидкої радіолюмінесценції полікристалічних структур, які необхідні для чіткого розуміння залежності структура-властивість, для вивчення процесів розміну та переносу енергії в органічних молекулярних системах із різною мірою структурної досконалості.

У другому розділі описані експериментальні методи дослідження радіолюмінесценції й методи обробки результатів експерименту. Для вимірів величини світлового сигналу використовуються токовий та амплітудний методи, а метод рахування окремих фотонів - як прецизійний метод вивчення кінетики швидкої радіолюмінесценції. Проведено статистичний аналіз роботи схем установок, що запропоновані, описані ключові аспекти програми обробки результатів експерименту і моделювання вимірів на ПЕОМ. У останьому підрозділі проведено аналіз фактів та процесів, які обмежують граничне часове розділення однофотонного

методу, розглянуто можливості та шляхи їх реалізації щодо роботи у режимі, який визначається фізичною межою цього методу. Отримано, що неусувна похибка обчислювань при обробці результатів експерименту визначає границі вимірів. Вона складає ЗО ис. Розраховані похибки вимірів у залежності від їх статистики та проаналізовані критерії, які визначають достовірність результатів.

У третьому розділі проведено теоретичний аналіз кінетики сенсибілізованої радіолюмінесценції органічних молекулярних систем. Вивчено ситуацію, коли імпульсне збудження сцинтилятора має кінцеву (не 6-подібну) тривалість. Вирішення задачі про сенсибілізовану радіолюмінесценцію базується на роз’вязанні системи кінетичних рівнянь, які описують зміну з часом концентрації Сх збуджень донора х і Су збуджень акцептора у. Враховуючи сенсибілізований характер радіолюмінесценції систем, які вивчаються [2], процес формування люмінесцентного відгуку поділено на два етапи. Перший етап - це аналіз процесів, що призвод ять до генерації ^-станів молекул основної речовини, а другий - аналіз процесів переносу енергії електронного збудження (у межах тих же закономірностей, що й при фотозбудженні) молекул донорів до молекул акцепторів.

В результаті отримано, що в тих випадках, коли більший розкид моментів збудження люмінесцентних центрів обумовлюється процесами, які передують генерації ^-стан і в молекул речовини, аніж процесами переносу енергії електронного збудження молекул донорів до акцепторів, справедливим є опис форми імпульсу радіолюмінесценції у вигляді (1) зі зрізаною функцією Гауса (2). У тому випадку, коли процес збудження молекул основної речовини в б’і-стан дуже швидкий, опис форми імпульсу радіолюмінесценції стає таким, як і при фотозбудженні, тобто у вигляді кінетики Ферстера-Галаніна для твердотільних систем і кінетики Штерн-Фольмера-Вавілова для рідких систем на основі нев’язких розчинників. Інакше кажучи, процес радіаційного збудження, який має як «передісторію» етап генерації, міграції та рекомбінації носіїв заряду (що генеруються під дією первинного опромінення), повинен мати опис у вигляді (1) із функцією (2), яка описує додаткову затримку моментів висвітлювання фотонів радіолюмінесценції. Ця затримка виникає через специфіку протікання процесів цього етапу «передісторії». Це

призводить до питання: чому процеси, які пов‘язані з генерацією первинних збуджених станів при рекомбінації зарядових станів, повинні описуватися зрізаною функцією Гауса? Теоретичному аналізу цього питання присвячено останній (третій) підрозділ даного розділу. Цей аналіз, що базується на центральній граничній теоремі, показує, що необхідними та достатніми умовами гаусового опису процесів, які відповідні за формування сцинтиляційного імпульсу, є їх множинний характер та мала дисперсія кожного з них у порівнянні з дисперсією результуючого процесу. Робиться висновок про необхідність обгрунтування правосильності використання функції Гауса. Для цього потрібен точний доказ множинності елементарних актів, що формують процес радіолюмінесценції та визначають параметр а (2). Його має бути обгрунтовано докладним кількісним аналізом експериментальних даних із інтенсивності та кінетики радіолюмінесценції систем, що вивчаються (цей аналіз наведено у розділі 5).

У четвертому розділі наведено результати досліджень швидкої радіолюмінесценції органічних молекулярних систем.

У першому підрозділі проведено загальний аналіз та показано, що опис імпульсу радіолюмінесценції у вигляді згортки (1) із/о(0 (2) передбачає не тільки повільну початкову ділянку зростання кривої, але й її додаткове розширення, отже зсування її максимума в область більших І. Тому очевидним доказом ефектів, що спостерігаються, є порівняння положень максимумів кривих твердотільних сцинтиляційних систем відносно максимумів кривих рідких сцинтиляторів.

У другому підрозділі зведені результати вимірів швидкої радіолюмінесценції монокристалів стильбену (із різною мірою структурної досконалості) та п-терфенілу (як однокомпонентних монокристалів, так і тих, що містять молекули діфенілбутадієна як люмінесцентної добавки). Для усіх кристалів спостерігалась повільна початкова ділянка зростання. Форма швидкої компоненти імпульсу радіолюмінесценції найкращим чином апроксимувалась і(і) (1) із/в(() (2), де Л = За. Збільшення середнєквадратичної разорієнтації блоків мозаїки акр монокристалу стильбену або концентрації діфенілбутадієна в монокристалі п-терфенілу призводило до зменшення значень параметра т та світлового сигналу І. Параметр а

(2), практично, не залежав від міри структурної досконалості монокристалу, слабко змінювався при його легуванні та виборі іншого типу кристалу. Значення параметра сг лежали у діапазоні

0,18...0,40 не. Результати дослідження форми швидкої компоненти імпульсу радіолюмінесценції органічних кристалів надають можливості оцінити глибини Е, дрібних пасток, локалізація носіїв заряду на яких може обумовити затримку моментів висвітлювання фотонів радіолюмінесценції, що має опис у вигляді /с,(0- Одержано, що максімальні значення Е, не перевищують 0,19...0,21 еВ.

У третьому підрозділі наведено результати експериментальних досліджень швидкої радіолюмінесценції органічних полікристалів п-терфенілу, які отримані методом холодного пресування. Як і у випадку органічних монокристалів при апроксимації експериментальних кривих використовувалась згортка експоненти, яка містить сталу часу висвітлювання т, та функції (2). Максімальні значення Et для полікристалів не перевищують 0,22...0,23 еВ.

У четвертому підрозділі наведено результати досліджень швидкої радіолюмінесценції пластмасових сцинтиляторів на основі полістиролу, полівінілксилолу та полівінілтолуолу. Були досліджені зразки, які не мали добавок, а також зразки, які містили люмінесцентні добавки. Кінетика радіолюмінесценції мала найкращий опис при використанні рівняння типу (1) із fa(t) (2), тобто мала той же опис, що й для органічних монокристалів. Параметр а не залежав від того, були введені добавки чи ні, а також від умов переносу енергії електронного збудження. Він змінювався при зміні виду макромолекул полімеру. Для полістиролу а = 0,26 не, а для полівінілксилолу та полівінілтолуолу а = 0,20 не. Розрахунки, аналогічні тим, що були проведені для кристалів, призводять до максимальних значень Et не більших ніж 0,19...0,20 еВ. Як і для органічних кристалів виникнення додаткової затримки моментів висвітлювання фотонів радіолюмінесценції не суперечить гіпотезі про наявність проміжного етапу локалізації носіїв заряду на дрібних пастках структурного походження. Розглядання макромолекул полімерів як одномірних органічних кристалів, безумовно, передбачає наявність подібних пасток. Цю гіпотезу підтверджує й той факт, що параметр сг, отже, і тривалість фронту зростання імпульсу радіолюмінесценції пластмасових сцинтиляторів не

залежить від умов безвипромінювального переносу енергії електронного збудження молекул основи до молекул добавок (їх виду, концентрації), а залежить, при цьому, від типу макромолекул полімеру.

У п’ятому підрозділі надано результати досліджень швидкої радіолюмінесценції рідких систем. Проведено дослідження швидкої радіолюмінесценції рідких сцинтиляторів на основі толуолу та параксилолу. Форма імпульсів радіолюмінесценції цих сцинтиляційних систем гарно описувалась кінетикой Штерн-Фольмера-Вавілова, тобто у вигляді згортки двох експоненційних функцій, або у вигляді (1) із /в(0 ~ ехр(-?/ті). Стала часу фронту розгорання ті залежала від умов переносу енергії електронного збудження. Таким чином, кінетика світіння рідких сцинтиляторів при радіаційному збудженні не має яких-небудь особливостей, які б відрізняли її від кінетики світіння при фотозбудженні. Тому, на відміну від твердотільних сцинтиляційних систем, кінетика швидкої радіолюмінесценції рідких сцинтиляторів не повинна мати додаткову затримку моментів висвітлювання фотонів радіолюмінесценції, що й було підтверджено експериментально при порівнянні положень максимумів кривих кінетики радіолюмінесценції рідких та твердотільних сцинтиляційних систем.

У п’ятому розділі розглянуто специфіку механізму формування радіолюмінесцентного відгуку органічних сцинтиляторів в областях низької густини активації. У першому пункті підрозділу 5.1. на основі експериментальних даних із величини світлового сигналу систем, що вивчаються, та умов опромінювання в конкретних експериментах, проведені розрахунки, які надали можливості провести фізичне обгрунтування гаусового опису ефекту додаткової затримки моментів висвітлювання фотонів радіолюмінесценції твердотільних систем. У другому пункті підрозділу 5.1. розглянуто вплив поляризаційних явищ на механізм радіолюмінесценції органічних напівпровідників та діелектриків. В результаті проведеного аналізу показано, що в системах, які розглядаються, має місце локальна поляризація решітки, тобто локальна деформація решітки внаслідок змішування молекул до захопленого носія в результаті його взаємодії з диполями, які індуцюються на сусідніх молекулах. При такому «локальному захопленні» молекулярного

полярона потенційна яма, що утворюється, поглиблюється на величину 8Е( ~ 0,1 еВ. На таку ж величину збільшується глибина початкової пастки Е{, тобто:

ЕІ/=Е,-8Е(. (3)

У цьому випадку максимальна глибина початкової пастки для систем, що вивчаються, не перевищує 0,09...0,12 еВ. Захоплення носія відбувається у двохетапному процесі: спочатку на пастці глибиною Е{, а потім за рахунок її поглиблення в результаті взаємодії носія з поляризаційним оточенням. Таким чином, захоплення носія заряду може мати місце внаслідок температурних коливань молекул. В органічному твердому тілі специфіка часової шкали поляризаційних явищ здібна призвести до «поляризаційної автолокалізації» носіїв заряду в цих системах. Розрахунок радіуса стійкого поляризаційного оточення іона для рідких систем призводе до значення порядку розмірів молекули. Таким чином, аналіз, який базується на передбаченні суттєвого впливу поляризаційних явищ на формування спалаху світла сцинтиляцій в молекулярних системах, обгрунтовує відоме емпіричне правило про те, що рекомбінація носіїв заряду, яка викликає генерацію фотонів швидкої радіолюмінесценції рідких розчинів органічних люмінофорів, відбувається у гемінальних парах. Тривалість процесу рекомбінації в рідких системах буде визначатися частотою зіткнень сусідніх молекул (~ 1012 с'1) і тому буде менша за характерну тривалість процесу переносу енергії електронного збудження молекул розчинника до молекул люмінесцентної добавки. У третьому пункті підрозділу 5.1. проведено оцінки меж використання різних описів кінетики сенсибілізованої радіолюмінесценції.

В результаті аналізу, який було проведено у першому підрозділі, зроблено висновок про те, що природа додаткової затримки моментів висвітлювання фотонів радіолюмінесценції твердотільних систем обумовлена множинним характером рекомбінації зарядових станів, що формуються у двохетапному процесі локалізації носіїв заряду на пасточних центрах поляризаційного походження.

У другому підрозділі розглянуто вплив структури органічних твердих тіл на форму швидкої компоненти сцинтиляційного імпульсу. Показано, що процес розгорання швидкої компоненти імпульсу радіолюмінесценції органічних кристалів, в основному, обумовлюється механізмом рекомбінації поляронних станів, що виникають як внаслідок формування температурно-активованого пасточного центру поляризаційного походження, так і внаслідок первинного захоплення носія заряду на пасточних центрах поблизу поодиноких малокутових меж кристалу. Внесок у процес формування швидкої радіолюмінесценції тих подій, що пов’язані з викиданням носіїв заряду із пасточних центрів структурного походження, зневажно малий. В макромолекулах полімерів велика вірогідність коливань їх бокових фрагментів. Подібні коливання можуть як прискорювати процес транспорту носіїв заряду, так і уповільнювати його за рахунок їх захоплення. Захоплення носія подібною пасткою і поляризація 7і- орбіталей бензольних кілець (поляризовність яких аналогічна до поляризовності молекул розглянутих кристалів поліаценів та поліфенілів) призводять до утворювання динамічної пастки поляризаційного походження, отже до утворення СР-станів.

Опис, що розглядається у дисертації, вперше надає можливості проаналізувати ті протиріччя, які виникали при порівнянні експериментальних результатів, що були отримані при низьких та високих густинах збудження. Збільшення густини збудження призведе до перекривання треків окремих частинок. В таких умовах рекомбінація носіїв заряду буде залежати не стільки від умов їх локалізації, скільки від їх концентрації. Зі збільшенням концентрації носіїв заряду усе менша їх частина буде устигати локалізуватися на пастках до моменту рекомбінації. При цьому сцинтиляційний процес буде обумовлюватися, виходячи із центральної граничної теореми, вже не процесами локалізації та рекомбінації зарядових станів, а процесом переносу енергії електронного збудження до люмінесцентних центрів речовини (як більш тривалим).

У третьому підрозділі розглянуто основні етапи формування швидкої компоненти сцинтиляційного спалаху. Схематичне зображення основних етапів формування швидкої компоненти сцинтиляційного спалаху в процесі розміну енергії іонізуючого

випромінювання в областях низької густини активації для органічних твердих тіл має такий вигляд:

утворення плазмонів та надзбуджених станів під дією іонізуючого випромінювання іі

розпад надзбуджених станів, генерація зарядових станів

Л

локалізація носіїв заряду, утворення поляронів

и

перебування носіїв заряду на дрібних пастках поляризаційного походження, рекомбінація СР-станів 10‘шс

и

утворення збуджених станів, внутрішня конверсія в £і- та Ту стани 'І)

перенос енергії електронного збудження

І)

швидка люмінесценція

10'17с

10'16с

10'12с

-10„

10'13-10'12с

10-12-10_11с

Ю'10-10'8с

Доказ визначального впливу етапу генерації, міграції та рекомбінації СР-станів на формування швидкої радіолюмінесценції дозволяє провести обгрунтування відомого в сцинтиляційній техніці факту слабкої залежності величини світлового сигналу органічних твердотільних сцинтиляторів від температури у діапазоні -40...+60°С. Таке обгрунтування базується на доказанному експериментально й теоретично факті температурної незалежності рухливості молекулярно-решіточних поляронів у широкому її інтервалі для органічних твердих тіл, яка виникає внаслідок компенсації впливу взаємопротилежних залежностей рухливості молекулярного та решіточного поляронів від температури [1].

У висновках викладено наступні найбільш важливі наукові та практичні результати, які отримані в дисертації:

Проведено аналіз методичних аспектів підходів, що використані при вивченні кінетики швидкої радіолюмінесценції. Результати, які отримані, надали можливості створити надійну базу для оцінювання

достовірності результатів вимірів. Достовірність положень та висновків дисертаційної роботи підтверджується не тільки спеціальним аналізом похибки і методичних аспектів відтворення результатів вимірів, але й результатами моделювання на ПЕОМ процесу формування швидкої радіолюмінесценції, а також можливістю вперше надати пояснення відомим експериментальним результатам лише на основі опису механізму формування швидкої радіолюмінесценції, який було отримано в роботі.

Вивчення механізму формування швидкої компоненти сцинтиляційного імпульсу органічних молекулярних твердих тіл та рідин із врахуванням специфіки радіаційного збудження, дозволило отримати нові фізичні результати, а саме:

1. При описі кінетики сенсибілізованої радіолюмінесценції в узагальненому вигляді треба ураховувати можливість кінцевої (не 5-подібної) тривалості збудження системи у нижчий синглетний збуджений стан. Це призводе до появи додаткової затримки моментів висвітлювання фотонів сцинтиляційного імпульсу.

2. Гаусовий характер функції, яка описує ефект додаткової затримки моментів висвітлювання фотонів сцинтиляційного імпульсу, обумовлений статистичною природою процесів, що відповідні за формування імпульсу миттєвої радіолюмінесценції органічних твердотільних напівпровідників та діелектриків.

3. Показано, що для органічних твердих тіл додаткова затримка моментів висвітлювання сцинтиляційних фотонів пов’язана із рекомбінацією зарядових станів, які утворюються внаслідок первинного захоплення носіїв заряду як динамічними, так і дрібними структурними пастками.

4. Залежність параметрів а та А (2), які належать функції, що описує додаткову затримку моментів висвітлювання фотонів імпульсу радіолюмінесценції органічних кристалічних сцинтиляторів, від особливостей їх структури та складу слабка. Для пластмасових сцинтиляторів ці параметри визначаються лише типом макромолекул полімеру і не залежать від типу та концентрації люмінесцентної добавки (для систем із високою вірогідністю безвипромінювального переносу енергії електронного збудження).

5. Незначне зменшення параметрів х (1) та су (2), а також інтенсивності світіння швидкої компоненти імпульсу

радіолюмінесценції для органічних моно- та полікристалів пов’язано із захопленням зарядових станів глибокими пасточними центрами, які утворюються в ансамблях та скупченнях дислокацій (наприклад, міжблочні межі зерен).

6. Внаслідок ефективних дифузійних процесів у рідких сцинтиляторах відсутня додаткова затримка моментів висвітлювання фотонів імпульсу радіолюмінесценції, а тривалість процесу рекомбінації зарядових станів визначається частотою зіткнень сусідніх молекул. Крутість фронту розгорання імпульсу радіолюмінесценції як і при фотозбудженні обумовлюється процесами переносу енергії електронного збудження молекул розчинника до молекул люмінесцентної добавки.

7. В органічному твердому тілі при такому радіаційному збудженні, коли зони збудження, які генеруються окремими частинками, не перекриваються, самим повільним етапом, який визначає формування швидкої компоненти сцинтиляційного імпульсу, є етап генерації, міграції та рекомбінації СР-станів.

8. При перекриванні зон збудження, які генеруються окремими частинками, процес рекомбінації CP-станів в органічних конденсованих середовищах буде визначатися їх концентрацією. Із підвищенням густини збудження рекомбінація усе частіше буде відбуватися поміж зарядових станів, які утворюються на сусідніх молекулах.

9. Урахування визначального впливу процесу генерації, міграції та рекомбінації СР-станів на формування швидкої компоненти імпульсу радіолюмінесценції надає можливості обгрунтувати давно відомий у сцинтиляційній техніці факт надто слабкої залежності від температури величини світлового виходу органічних сцинтиляторів.

Публікації

1. Тарасенко О.А., Истомина В.В. Диффузия света в пластмассовых сцинтилляторах с различным характером отражения фотонов на поверхности // Функциональные материалы,- 1994.- Т.1, № 2,-С.100-104.

2. Galunov N.Z., Jarychkin V.V., Tarasenko О.А. The radioluminescence as a method for investigation of the charge transport in molecular materials // Molecular Materials.- 1995.- Vol.5.- P. 189-193.

3. Галунов Н.З., Тарасенко О.А. Механизм радиолюминесценции органических молекулярных твердых тел и жидкостей // Журн.прикл.спектроскопии,- 1995,- Т.62, № 3.- С.84-86.

4. Krasnokutsky S.A., Tarasenko О.А. Polarization effect on the fast component formation of radioluminescence pulse // Functional Materials. -1996.- Vol.3, N 4,- P.412-416.

5. Galunov N.Z., Tarasenko O.A. Luminescence kinetics of organic molecular materials for different types of excitation // Functional Materials.- 1991.- Vol.4, N 2,- ?.212-219.

6. Галунов H.3., Тарасенко О.А. Кинетика светособирания в изотропных сцинтилляторах // Тезисы докладов Межгос.конф. «Сцинтилляторы-93».-Харьков,- 1993.- С.74-75.

7. Галунов Н.З., Тарасенко О.А. Механизм радиолюминесценции органических молекулярных твердых тел и жидкостей // Тезисы докладов Междун.конф. по люминесценции,- Москва: ФИАН, 1994,-С.31.

8. Galunov N.Z., Tarasenko О.А. The radioluminescence as a method for investigation a charge transport in molecular materials for electronics // Abstr. Of Second European Conf. On Molecular Electronics.- Germany, Closter-Banz.- 1994, P.120-121.

9. Будаковский C.B., Гринев Б.В., Тарасенко О.А. Исследование процессов образования поликристаллов п-терфенила и их люминесцентных свойств // Тезисы докладов Междунар.конф. «Физика и химия органических люминофоров»,- Харьков,- 1995. С. 14.

10. Краснокутский С.А., Тарасенко О.А. О влиянии поляризационных еффектов на формирование быстрого компонента импульса радиолюминесценции // Тезисы докладов Междунар.конф. «Физика и химия органических люминофоров»,- Харьков,- 1995. С.58.

11. Афанасиади Л.Ш., Красовицкий Б.М., Лысова И.В., Тарасенко

О.А. Алкилзамегценные 2-фенил-5-(4-бифенилил)-оксадиазола-1,3,4 - эффективные активаторы быстродействующих жидких сцинтилляторов // Тезисы докладов Междунар.конф. «Физика и химия органических люминофоров»,-Харьков.- 1995. С.6.

12. Галунов М.З., Тарасенко О.А., Яричкін В.В. Радіолюмінесценція як метод вивчення електронних процесів в органічних матеріалах // Proceedings of the International school-conference «Electronic processes in organic materials».- Kiev.- 1995,- P.38.

Список цитуемої літератури

1. Silinsh Е.А., Capek Y. Organic Molecular Crystals: Interaction, Localization and Transport Phenomena.- New York: Institute of Physics, 1994.- 402 p.

2. Галунов H.3., Семиноженко В.П. Теория и применение радиолюминесценции органических конденсированных сред,- Киев: Наукова Думка, 1991.- 279 с.

Тарасенко О.А. Механізм формування швидкої радіолюмінесценції в органічних напівпровідниках та діелектриках.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук із спеціальності 01.04.10 - фізика

напівпровідників та діелектриків.- Інститут монокристалів НАН України, Харків, 1997.

Дисертацію присвячено вивченню швидкої радіолюмінесценції органічних конденсованих середовищ. Отримано загальний опис кінетики сенсибілізованої радіолюмінесценції для довільного типу збудження, надано фізичне обгрунтування гаусового характеру опису додаткової затримки моментів висвітлювання фотонів радіолюмінесценції для органічних конденсованих середовищ, розроблено уточнену модель механізму швидкої радіолюмінесценції органічних конденсованих середовищ.

Ключові слова: радіолюмінесценція, органічні кристали,

полімери, рідини, іонізуюче випромінювання.

Тарасенко О.А. Механизм формирования быстрой радиолюминесценции в органических полупроводниках и диэлектриках,- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков,- Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков, 1997.

Диссертация посвящена изучению быстрой радиолюминесценции органических конденсированных сред. Получено общее описание кинетики сенсибилизированной радиолюминесценции для произвольного типа возбуждения, дано физическое обоснование гауссо-

ного характера описания дополнительной задержки моментов высвечивания фотонов радиолюминесценции органических твердых тел, разработана уточненная модель механизма быстрой радиолюминесценции органических конденсированных сред.

Ключевые слова: радиолюминесценция, органические кристаллы, полимеры, жидкости, ионизирующее излучение.

Tarasenko О.A. Mechanism of the radioluminescence pulse fast component formation in organic semiconductors and isolators.- Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences, speciality 01.04.10.- physics of semiconductors and isolators.- Institute for Single Crystals, National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 1997.

Thesis is devoted to the problem of investigation of the prompt radioluminescence in organic condense media. The general description of the kinetics of sensibilized radioluminescence for arbitrary type of excitation is obtained, a gaussian description of the additional delay of the moments of photon emission for organic solids is physically grounded. The model of the mechanism of the radioluminescence pulse fast component formation for organic condense media is presented.

Key words: radioluminescence, organic crystals, polymers, liquids, ionizing radiation.