Радиационно-стимулированные процессы в кристаллах MgF2, легированных редкоземельными примесями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГВ и

1 с АПР 2003

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

МУССАЕВА Малика Анваровна

УДК 539.2: (535.34 + 535.37)

РАДИАЦИОННО- СТИМУЛИРОВАННЫЕ

ПРОЦЕССЫ В КРИСТАЛЛАХ М£р2, ЛЕГИРОВАННЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ПРИМЕСЯМИ

(01.04.07 — физика твердого тела)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ТАШКЕНТ —2000

Работа выполнена в Институте ядерной физики Академии наук Республики Узбекистан. ;

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

д. ф.-м. н., профессор, НУРИТДИНОВ и.

член-корр. АН РУ, д. ф.-м. н., профессор МАМАДАЛИМОВ А. Т.

Ведущая организация:

к. ф.-м. н., ведущий научный сотрудник КИ1М ГЕН ЧАН Научно-исследовательский институт прикладной физики при Узбекском Национальном Университете им. М. Улугбека

Защита состоится «. Ж .» _ 2000 г.

в И часов на заседании Специализированного совета Д. 015.15.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Институте ядерной физики АН РУ по адресу: 702132, г. Ташкент, пос. Улуг-бек, ИЯФ АН РУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Ядерной Физики АН РУ.

Автореферат разослан « ^ » 2000 года.

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор физ.-мат. наук

Г5ьЗ<Ч-1уО

В3?л.¥03>

ХАКИМОВ 3. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Кристаллы являются

одними из важных оптических и лазерных материалов. Кроме юго, они используются в качеств транспортеров излучения, а тюке подложек полупроводниковых материалов. На основе М{'.1:2 изготавливается оптическая керамика, которая обладает оптическими свойствами, но многом не уступающими монокристаллам. Все эю определяет большой нтерес со стороны мсследова^лсй к эюму материалу.

Редкоземельные ПК) примеси являются одними из важных легирующих добавок б шнрокощелевых кристалла*. На основе легированных ТИ- элементами твердо тельных материалов получен ряд очень цепных оптических, лазерных материалов, а также люминофоры. Хотя они широко применяются в управлении спектроскопическими н радкашюкно-опшческими характеристиками фгоридных материалов, их роль и изменении свойс)в кристаллов М^Рг практически не исследована.

Для легированных кристаллов характерны очень сложные системы энергетнческн.ч^ровпсн, индптщдуадьные свойства которых определяются типом примесного нона и свойствами матрицы, а также степенью взаимной святи последних. Каждым примесный ион (нгомг, внедренный и матрицу твердого тела, как правило, обладает характерной системой дискретных л/ергешчееккх урспнеН, являющихся своеобразным мостом, "гОсспе'чшакднчм физическою связь протекающих л лкпнш горной среде )•..'.;носп"рп.шмх »'ронсссоч с полем излучения. В основе мой свят лежат )Иер1 ешческне переходи между отдельными уровнями примеси, которые и обуелавлш.дап гогдошеипе или излучение знерылт средой. Эти свойства, в свою очередь, опр^лелчюг условия возбуждения и реализации лчнншеснешпгд. .'¡ачернот тлучеиия, рабочую схему и типы оптических квантовых тенераюров (лятеров), их частотный диапазон, режим текерапни, а также возможный температурный интервал получения стимулированного излучения. Поэтому только комплексное детальное исследование многих явлений, в основе которых лежат квантовые переходы междулч;рп;п1чеекнмп уровнями (.поглощение, люминесценция, сейм} лнршпшное ииучепне н т. п.), может дать необходимые сведения об активаторе и о матрице, в которую он внедрен.

П.;зестно, что п);н%»еси двояким образом влияют на различные свойства твердых тел. С одной стороны, они придают определенные новые, отсутствующие в иелегнрованных материала»; свойства, и тем самым позволяют целенаправленно управлять свойствами материалов. С лруюй стороны, наличие тех ¡тан иных нримееяй может существенно ухудшать некоторые полезные характеристики материалов, и тем самым они могут

оказывай, отрицательное влияние на параметры приборов и установок, создаваемых на их основе. Поэюму большое внимание со стороны исследователей уделяется влиянию тех или иных примесей на различные характеристики, в том числе на радиациоино-отпичеекие свойства твердых тел, т.к. без легально!о исследования влияния примесей на характеристик!! материалов невозможно целенаправленно управлять свойствами материалов

Исследование плняння Т1<- злементов на радиашюнно-стимулированные явления в М^, с одной стороны, было бы полезным с точки зрении установления общих закономерностей взаимовлияния собственных и примесных дефектных центров в кристаллах М^Р:, с другой, оно необходимо для разработки полезных рекомендации практического использования данного материала.

Целью иастоишей диссертационной работы является изучение характеристик и закономерностей создания, накопления, преобразования, а также отжига собственных и примесных радиационных центров и номинально чистых и легированных редкоземельным рядом (Рг1 Бт", ТЬ3\ Но", Тш3\ УЬ1') кристаллов МуР2.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Сравнительное исследование процессов создания и накопления различных видов радиационных дефектов в номинально чистых и легированных редкоземельным рядом кристаллах МцР2, облученных у- лучами в широком долевым пределе (105-г10у рад). .

2. Выявление обшей закономерности влияния исследованных редкоземельных примесей и специфических характеристик отдельных элементов на создание в кристаллах МуР^ радиационных дефектов.

3. Установление снекгралтых характеристик редкоземельных ионов в кристаллах Мцр^. :

4. Исследование термической и фотостабильности . радиационных, центров в легированных кристаллах. ,

5. Изучение и определение природы радмашю/'шо-наведенных дефектных центров в легированных и ыелегироваипых'кристаллах. Научная попита полученных результатов.

В настоящей работе впервые систематически комплексно исследованы спектрально-люминесцентные и радиационно-оптичеекие характеристики кристаллов МцРг, легированных редкоземельными примесями, и подучены следующие основные результаты:

1. Идентифицированы оптические переходы, обуславливающие фото- и гаммашомннесцешш/о попив Тт1*, Но3', ТЬ1+ л кристаллах М^Ь'г.

2, Установлено; что многие редкоземельные примеси, являясь преобразователями энергии электронных возбуждений в излучение, .приводят к повышению радиационной стойкости кристаллов „

3. Показано, что примеси ТЯ3+- ионов из-за отличия своих иопиых радиусов от ионного радиуса М^*, который они заметают, приводят к уменьшению энергии образования радиационных дефектов и энергии их миграции. При этом, чем больше размер ионнрго радиуса, тем меньше энергия образования и миграции радиационных дефектов.

4. Ионы УЬ в кристаллах могут находиться кпк в трехвалентном, так и двухвалентном состоянии, что проявляется в анормальном поведении радиационных характеристик, нарушающих общую закономерность радиационного дефектообразования в редкоземельном ряду.

5. Идентифицирована природа ряда радиационных дефектных центров в нелегированных и легированных кристаллах облученных большими дозами у-лучей..

6. Установлено, что с увеличением ионного радиуса примеси ТЯН- ионов уменьшается термическая и фотостабнлыюсть Р- и М- центров в МиР2.

Практическая ценность работы. Результаты, полученные в данной диссертационной работе, значительно расширяют понимание радиационно-стимулированых явлений и природы радиационных дефектных центров в легированных кристаллах К^Р2, стимулируют исследования, направленные на установление более адекватных механизмов радиационно-сСимулнровашйлх явлений в кристаллах МеР2 вообще, и в легированных кристаллах, в частности.

• Выявленная в настоящей работе способность примеси ТЯ1+- ионов влиять на скорость накопления, на термическую и фотостабильность радиационных дефектов может быть применена- на практике для целенаправленного управления радиационными параметрами кристаллов МёР2.

, Основные положения, выносимые на защиту:

1. Эффект преобразования редкоземельными ионами энергии электронных возбуждений в излучение и тем самым . уменьшения скорости ' накопления радиационных дефектов в кристаллах М^Рг-

2. «Эффект уменьшения энергии образования и энергии миграции радиационных дефектов в кристаллах М^Р2, легированных редкоземельными примесями: с увеличением размера ионного радиуса ТЛ1+- ионов уменьшается энергия радиационного создания и миграции структурных дефеетов в ¡^Р2.

3. Положение о том, что с увеличением разницы ионных радиусов, внедренных в структуру ¡^Р2 ионов ТЯ3+ от радиуса Му2\ которые замешают примеси, термическая и фотостабнлыюсть радиационных дефектов уменьшается.

4. Идентификация люминесцентных переходов ТЯ34- ионов и природа некоторых радиационных дефектов в кристаллах М^,

Апробации работы. Основный результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях «Современные проблемы фи-зики полупроводников» (Ташкент, 1955), «Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов» (Ташкент, 1997), «Проблемы тепрешческой физики и физики твердого тела» (Бухара, 1997), «Современные проблемы физики полупроводников» (Нукус, 1997), на И Республиканской конференции «Современные проблемы ядерной физики» (Самарканд, 1997), на III Международной конференции «Современные проблемы ядерной физики (Бухара, 1999), а также па научных семинарах отдела Радиационной физики твердого тела и лаборатории радиационных процессов в диэлектрических материалах ИЯФ АН РУ.

Структура и содержание работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Она изложена на 116 страницах машинописного текста, включая 27 рисунков, 3 таблицы, библиографию нз 87 названий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, цели и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность полученных в диссертации результатов, при «едены основные положения, выносимые на защиту.

В нерпой главе изложены сведения о кристаллической структуре н физико-химических свойствах кристаллов MgFj, приведен обзор опубликованных литературных данных по раднацпонно-стимулнрованньш процессам, а таких' rio влиянию различных примесей на спектроскопические и радиационные свойства кристаллов Mgl-j. В конце. главы на основе анализа литературного материала определена цель и задачи исследования данной работы. ';

Вторан глава посвящена изложению характеристик объектов исследования и методике экспериментов, применяемых при выполнении настоящей работы.

Исследованные п настоящей работе ' номинально-чистые и активированные TR- элементами (TR- Pr, Sin, Tb, Но, Tm, и Yb) кристаллы MgF2 были выращены во Всероссийском Научном . центре Государственный оптический Институт им. С.И Вавилова 'методом Стокбаргера из чистого синтетического сырья. Примеси TR попои вводились d шихту в виде TRF3. концентрацией 0,016+0,1 моль.%. Содержание примесей контролировалось спектроэмиссионлым путем. Во всех образцах обнаружена неконтролируемо вошедшая Примесь Mu, содержание которой не превышает 10"4 вес.%.

Для проведения экспериментов но тпучетшю спектров оптического поглощения, фото-, гамма- и термовыснечнвання обрати вырезались из кристаллов в р.иде стержней диаметром 7 мм и -толщиной 1-2 мм. тщательно шлифовались и полировались до получении оптических просветленных поверхностей. Перед исследованием поверхностные загрязнения удалялись чистым спиртом.

Для решения поставленных задач образны облучались у- лучами. Облучений образцов у- лучами проводилось на источниках Со'" бассейнового типа в 11ЯФ АН ГУ при мощностях 800-1 (>00 р/с. ."ютами от ГС до 2'10'' рад. 1%риеталл!,| облучались при температуре жидкого а юга (77К) и температурах каналов (30-80 "С) в стеклянном или пенопластовом сосудах Дыоара.

Спектры оптического поглощения снимались при температуре :.чнлкоп> ;i30ja и ксмиатной температуре на спектрофотометре HPS-.VJ* фирмы «Хитачи» (Япония) и SPHCORD М-10 фирмы «Карл-Цсйс» (Германия) я диапазоне 200-900 им.

Гамчмюмннеецешин кристаллов MgFj с нричесячи редкоземельных ".'¡счетов при температурах 77-300 К исследовалась на установке, где ■..-и.'ып.тм .■лс.мсй'том .:,г;::лс.ч спектрограф ЯРМ-2 • р";т т "Кт'р'т-Це"1:-«, на •■■-Оле которою стоял чСУ-106, в диапазоне 200-ООП i;*. 1¡n посолило рг.тстрпрГкчпь а'счшшс в обдаст 300-°0(1 им. Мочтмсст!» дозч i,:мма-::са:'!'шк:1 с^етав.п.ла- Гид)-1600 р'с. При регистргнии Í пспо.пл,.т,ллась -u¡;í-4fi;incrn;í ф\Г>г имеющая высокий кочффтшиепг от;пп;еши (~VQ%). Ча копче с етспровода прикреплялось с!\лп!ал:л'0 (Птогов.течное

-croci:. ; сотовом массивный медный держатель с о-■ :.:\одплся з по!1"'.:лпс1овоч -и тоаре, светопровод с дьюаром помещался в c_vVi. п капал i ;ччз - установки и находился мч до :¡<-n;:i r¡x\T\u гам мал ю- ншееи.ешшп обрат, та MgFj.

Сиге;;-! т ¡Г'.'; и ,оптического возбужден.".'; вписывались на спек rpoijcuocpio.ie i pe MPF-2A фпрмы*«Хптач№> (Лночпл), в ди иьтоие 220800 им при 77--ООК. Источником возбуждения служи.и ксснсновая лампа.

Термссбесцисчивание у- полученных обра шов производилось з муфрыюи печи ступенчатым нагревом через каждые пятьдесят градусов. Образны натрепались до определенной температур!.;, держались в течение . !0 минут при данной температуре, затем охлаждались до комнатной и снималось дополнительное поглощение.

Б процессе фогообесцвечнвання (ФО) облученных образцов исследовались разрушение и превращение радиацнонно-паведенных центров окраски (ЦО) и люминесценции в исследуемых обьестах. ФО производилось ртутной лампой с избирательной фотоподсветкой в области поглощения ЦО с помощью светофильтров: УФС-1, ФС-7 и СЗС-17, а также монохроматором МДС-1.

В измерениях по оптическому поглощению и люминесценции ошибка эксперимента не превышала 15%.

В третьей главе изложены основные результаты исследования по созданию и преобразованию радиационных дефектов в кристаллах К^г ТЯР,.

В спектре поглощения всех необлученных образцов Г^Рг, за исключением кристалла МеР2-УЬР.1, о области 200-900 нм не имеется никаких полос. В спектре кристаллов МуР2-УЬР3 обнаружена полоса с максимумом в 240 нм, что свидетельствует о частичном вхождении ионов УЬ в кристаллы МиР: в двухвалентном виде, В спектре рблученных образцов, начиная с дозы 105 рад, появляется полоса Р- центров с максимумом в 260 нм, с увеличением дозы облучения происходит увеличение интенсивности этой полосы. В дозпой зависимости накопления Р- центров наблюдается известное двухстадийное нарастание, где первая стадия связана с захватом электронов в дорадиапионных. анионных вакансиях, а вторая стадия - с радиационным созданием И- центров. Начало второй стадии зависит от наличия примесей в кристалле. Если в номинально чистых кристаллах вторая стадия начинается при дозах 10" рад, то в кристаллах, легнрованых прозиадимом, она начинается уже при дозах 106 рад. Если расположить изменение концентрации Р- центров при дозе облучения 109 рад, то она в зависимости от вида примеси убывает следующим образом: Рг>нелегированный>5т>Но>Тш>ТЬ>УЬ. При сопоставлении этого ряда с рядом убывания ионных радиусов редкоземельных ионов обнаружена полная корреляция, за исключением кристалла К^г ТЪ: при одинаковых условиях облучения с увеличением ионного радиуса примеси увеличивается количество радиационно-наведенных И- центров (рис.1., кривая 1). Это свидетельствует о том,что с увеличением ионного радиуса примеси увеличивается вероятность образования радиационных Р- центров.,

Пр;дполагается, -что внедрение примеси ТИи - ионов из-за отличия ионных радиусов локально изменяет параметры кристаллической решетки, что приводит, к увеличению Ме-Р расстояния в примесной области кристалла (рис.2). Можно показать, что потенциальная энергия кристаллической решетки определяется выражением:

Ер=(-^^АНАе2/г0)(1-1/п),

где А - константа Маделунга; Ыд - число Авагадро; - ^заряды 1 и \ ионов; е - заряд электрона; и - показатель, близкий к. 9. Так как потенциальная энергия кристаллической решетки Ер непосредственно связана с энергией дефектообразования Ец соотношением:

Ел = Ер + О,

где 9 - знергия стабилизации дефектов, то для энергии дефектообразования можно написать следующее выражение:

Е-а= (- Z¡ X, Л Нл е2 / г0)(1- 1/п) ■+ О.

Видно, что увеличение радиуса внедренной примеси увеличивает Ме-Р расстояние в кристаллической решетке и приводит к уменьшению энергии дефектообразования.

Однако, ионные радиусы всех ТЯ- ионов существенно больше, чем ионного радиуса (см. на таблицу). Если наблюдаемый

Таблица

Ионные размеры '.... ~ - редкоземельных примесей и температура отжига Р- центров в кристаллах Г^Иг, активированных соответствующими

примесями

Элемент Рг3\ УЪ2+ 8т3+ ТЬ3+ Но3+ т 1+ 1т УЬ3+

К,А 1,013 1,00 0,964 0,923 0,894 0,869 0,858 0,65

т °г 1 отж. 150 170 170 200 210 - 250 170 7 300

экспериментальный факт был бы связан только с отличием ионных радиусов примесей, то во всех легированных кристаллах число ¥- центров должно были быть больше, чем в нелегированном образце. В реальности это не так, за исключением примеси Рг. Это явление объясняется следующим образом.

Известно, что при облучении кристаллов Му1-1 радиационные дефекты создаются в основном при безызлучательном распаде автолокализованиых экситонов (Лисицын В.М.). В щелочно-галоидных кристаллах (Лущик Ч.Б. и др.) и оксидных соединениях (Нуритдинов И. и др.) показано, что если энергию автолокализованиых экситонов преобразовать в излучение, то вероятность безызлучательного распада резко снижается и уменьшается выход радиационных дефектов. Наши исследования показали, что в кристаллах Г^р2 большинство ТО1- ионов эффективно люминесцируют при возбуждении их гамма-лучами. Следовательно, мы допускаем, что примеси ЭпгТЬ3+, Но3+, Тт'+, и УЬ2+ приводят часть энергии безызлучательного распада автолоколизовапных экситонов в излучение и уменьшают количество радиационных Р- центров.

Таким образом, примеси ТИ- элементов в МцРг двояко влияют на радиационное создание Р- центров. С одной стороны, из-за эффективного

преобразования энергии автолокализоватшых экешышв в излучение уменьшается выход F- пет ров, с другой стороны, и ¡-за отличия ионных радиусов примесей от Mg2t уменьшается энергия дефсктообразоваппя, что приводит к увеличению выхода F- центров. О экспериментах наблюдается результирующее действие этих двух взаимно конкурирующих эффектов.

С такой точки зрения легко объясняется большой выход F- центров в кристаллах MgFi-Рг по сравнению с нелегированным образцом. Рг не люмпиесцпрует ни при фото-, ни при гамма возбуждении, поэтому безызлучателмпя часть энергии авголокализованных экситонов не преобразуется в излучение и не уменьшается выход F- центров. С другой стороны, из-за наибольшего ионного радиуса Рг'+ энергия дефекгообразовапия в этом кристалле наименьшая и поэтому выход F-центров максимальный.

С этой точки зрения так же легко объяснить несоответствие расположения Tbn в рядах TR по ионным радиусом и количеством F-центров (рис.2, кривая 1). Выход ГЛ наиболее высок в кристаллах MgFj-Tb11, поэтому, хотя ионный радиус ТЬ3+ больше, чем ионные радиусы Но'' и Тт'\ из-за эффективного подавления выхода F- центров преобразованием энергии автолокализованных экситоиов в излучен..е концентрация радиационных дефектов меньше, чем в кристаллах MgF2-Hou и MgFrTmu.

Аналогичная зависимость наблюдается для М- центров в исследованных кристаллах (рас. 1, кривая 2), которая также объясняется исходя из вышеуказанной точки зрения, конкуренцией двух разных механизмов влияния TR3+- ионов на радиационное дефектообразование.

Число М- центров в исследованных кристаллах при дозе облучения D,> > 10s рад уменьшается, демонстрируя следующую последовательность: Рг>5т>УЬ>Тт>ТЬ>11о-нелетт1ровш1ный (рис. I, кривая 2), т.е в отличие от . F- центров, количество М- центров во всех исследованных кристаллах,, (кроме MgF2-Ho) больше, чем в нелегироваиных образцах. Если сопоставить ряд ионных радиусов исследованных TR3+, то В кристаллах с примеелми Pr, Sm, Tb и Но наблюдается уменьшение числа М- центров с уменьшением ионных радиусов. Кристаллы с примесями Tin и Yb не обнаруживают таког о поведения.

Как уже отмечено выше, в спектре облученных кристаллов MgF2-Yb обнаруживается полоса поглощения в 230-240 им, приписаьная нами к ионам YbJ+. В общем-то, для соединений внутреннего переходного ряда TR- элементов общим для всех ионов является состояние TR3*. Это соответствует участи/о в образовамии связи 6s1 электроняи одного 5d электрона или, если £>"d электрона нет\ то одного из 4Г электронов. Состояние TR2+ установлено для Eii и Yb. В принципе, Для Ей и Yb "двухвалентное состояние можно было предвидеть, так как у первого -наполовину заполненный, сравнительно устойчивый, подуровень f(6s24f7) и

п связях легко участвуют только 6s2- электроны, а у второго - под>роиень f полностью заполнен (6s2-1fM), что также образует устойчивую конфигурацию, а в связях также лет ко участвуют относительно слабосвязанные 6s"- электроны. Исходя из этих фактов, можно объяснить отклонение местоположения MgFj-Yb в закономерности уменьшения количества М- центров с частичным переходом Yb'" ионов под действием облучения-в Ylrf Из-за того, что ионный радиус Yb2t больше радиусов Tb'1f, Но'4'л Tmu, количество М- центров увеличивается.

Отклонение количества М- центров в кристаллах MgFj-Tm от общей кривой зависимости, по-видимому, обусловлено вторым из конкурирующих механизмов влияния TR- попов па дефсктообразование: .эффективность люминесценции ионов 7Ъ1+ и Но'" больше, чем у ионов Тпт"', а ионы ТЬ,+ и Но,+ эффективнее преобразовывают энергию бе.зызлучательного распада автолокаднзояанных эксигоиов в излучение, и выход дефектов в кристаллах, легированных этими примесями, меньше, чем в кристаллах MgF2-Tm.

Вхождение примесей с большими ионными радиусами приводит такг<е и к уменьшению энергии миграции дефектов по кристаллической решетке. В исследованных нами кристаллах при одинаковых условиях облучения увеличение количества М- центров с увеличением ионного радиуса примесей мы объясняем уменьшением энергии миграции F-центров с увеличением межатомных Me-F расстояний. Чем больше ионный радиус примеси, тем больше межатомное расстояние и тем меньше энергия миграции F- центров. С уменьшением энергии миграции F- центров увеличивается их подвижность, что прнгодит к повышению вероятности коагуляции F- тгенгров и образованию М- центров.

Далее рассматриваются люминесцентные характеристики исследуемых кристаллов.

Следует отметить, что в спектре поглощения кристаллов, облученных достаточно большими дозами, кроме полосы F- центров (260 им), наблюдаются еше полосы с максимумами в 320, 370, 410 и 480-500 им. В структуре MgFj возможно образование четырех разновидностей М-цеитров, полосы поглощения трех из них хорошо исследованы в литературе. Полоса поглощения 370 нм приписывается M(C2h)- центрам, 320 нм и 480-500 нм - M(D2h)- центрам, 410- М(С|) - центрам. Однако люминесцентные характеристики этих центров исследованы недостаточно. Поэтому нами были исследованы дозные зависимости и температурные стабильности центров окраски и люминесценции радиационных центров и сравнены между собой. В спектре фотолюминесценции зарегистрированы полосы с максимумами 420, 460, 550, 620 нм, которые возбуждаются соответственно на полосах с максимумами 370, 320, 410 и 480 нм. При возбуждении на полосе 370 им наряду с полосой люминесценции 420 нм наблюдается полоса 550 нм. Области возбуждения ФЛ соответствуют положениям максимумов полос поглощения. Поэтому предположим,'что

соответствующие полосы обусловлены одними и теми же центрами. Для проверки этого проведено сопоставление термической стойкости полое ФИ и соответствующих полое поглощения (рис.3). Обнаружено, что термическая зависимость свечения 420 нм аналогична полосе поглощения 370 им, полоса ФЛ 460 нм- полосе поглощения 320 нм, ФЛ 550 нм - полосе поглощения 410 нм, ФЛ 620 нм - полосе поглощения 480 нм. Исходя из этого полоса ФЛ 420 нм идентифицируется нами как обусловленная М(С2|,)- центрами, свечение 460 нм - М^Ол,) - центрами, ФЛ 550 нм - M(Q) - центрами. Так как полоса поглощения 480 нм и ФЛ 620 нм, возбуждаемая на этой полосе, ьошикает при достаточно высоких дозах облучения независимо от наличия полосы 320 нм, а также при накоплении достаточно большого количества М- центров при термическом преобразовании радиационных центров, мы догускаем, что они обусловлены R- центрами, или более сложными агрегатными центрами.

В спектре гаммалюминеценцин легированных образцов зарегистрированы линии свечения, характерные f-f переходам примеси TR3+ ионов. На основе собственных экспериментальных результатов, а также используя литературные данные были идентифицированы обнаруженные линии гамма- и фотолюминеценций. В спектре кристаллов MglVYb обнаружена широкая полоса гаммалюменеценции с максимумом 550 нм. Показано, что эта полоса обусловлена d-f переходами примеси Yb2+. .

В четвертой главе приведены результаты исследования термической и фотостабильности радиационных дефектов нелегированных и легированных редкоземельными примесями кристаллов MgF2.

В работах И.Нуритдинова и К.Турданова было отмечено, что введение в MgFj примесей переходных элементов группы железа, наряду с изменением вероятности образования радиационных дефектов, приводит также к изменению энергии миграции радиационных' дефектов, что -проявляется в изменении температурной стабильности F- и,М- центров. Т. к. увеличение ионного радиуса редкоземельных примесей приводит к локальному искажению кристаллической решетки, то И здесь должно наблюдаться изменение энергии миграции радиационных дефектов. Для проверки этого явления нами были исследованы температурные зависимости изменения количества радиационных дефектов в легированных и нелегированных образцах. В номинально чистых кристаллах F- центры стабильны до 300 °С (рис.4,а,кривая 1), что согласуется результатами других работ. В отличие от этого в температурной зависимости концентрации F- центров легированных кристаллов наблюдается две стадии уменьшения, где во всех обра шах вторая стадия уменьшения начинается примерно при 300 "С (рис.4® кривая i). Температура начала первой стадии уменьшения числа F- центров легированных образцов зависит ог вида редкоземельных примесей. С

увеличением ионного радиуса редкоземельных ионов температура начала первой стадии отжига сметается в низкотемпературную сторону .'таблица). Это явление объясняется следующим образом: из-за разнмии ионных радиусов ТЯ3+ и Мв2* кристаллическая решетка вокруг 'ГК1' ионов искажается. И этой области решетки энергия миграции междоузельных атомов фгора уменьшается. Это приводит к уменьшению температуры отжига Р- центров в окрестности примеси. Поэтому мы считаем, '.го первая стадия отжига Р- цеифов связана с подвижностью междоуельных атомов фгора в окрестности примесей и их рекомбинацией на Р- центрах, а вторая стадия - с подвижностью междоузельных атомов фтора в нормальной, беспримесной области кристалла Чем больше ионный размер редкоземельной примеси, тем больше локальное искажение вокруг этой примеси и тем меньше энергия миграции междоузельного фтора, что тем больше приводит к смещению температуры стабильности Р- центров в низкотемпературную сторону на первой стадии отжш а.

Однако, кристалл М(?р2, легированный примесью УЬ, не следует этому правилу. При рассмотрении дозоаой зависимости радиационных дефектов, примесь УЬ также вызывает анормальное поведение, что объяснялось переходом части ионов УЬ при излучении в двухвалентное состояние. Вероятно, этим же объясняется и наблюдаемое на опыте отклонение значения энергии активации в кристаллах М|;Рг - УЬ: ионный размер УЬ2+ располагается между Рг3+ и 5т3<", что приводит к уменьшению температуры подвижности дефектов вокруг примеси (таблица).

Исследование фогостнмулированных изменений радиационных центров окраски в Мр,р2 является одним из эффективных методов исследования активашюлиых процессов в твердых телах. Наши ранее совместно с К.Турдановым'исследования на поминально чистых образцах показали, что при подсветке на Р- полосе поглощения (,/цпах-- 260 нм) наблюдается обесцвечивание Р- полосы и увеличение М(Сгь)- и М(С[)-полос поглощения. С увеличением времени подсветки обнаружены полосы с максимумами 300 и 480-500 нм, интенсивности которых растут параллельно. Было высказано предположение о том, что дефектами, поглошаюших в областях 300 и 480-500 им, могут являться М- центры другоД ориентации [возможно М (Сг»- центры)], или же более сложные 1:з-центры. Продолжая исследования в э'гом направлении мы обнаружили, что в легированных ТЯ- ионами образцах, так же как и в нелегнровашшх кристаллах, М(С0- центры быстро выходят на насыщение (через 20-30 мин). Хотя для насыщения М(Сгь)- центров в легированных образцах требуется меньше, чем в .нелегированных, времени, все же для этого необходимо более длительное по сравнению с М(Ст)- центрами время подсветки (~5 часов). Обнаружено, что при полном обесцвечивании Р-цёнтров с увеличением ионного радиуса введенной примеси увеличивается концентрация М^ь)-'центров, преобразованных в результате объединения

дзух F- центров. Это явление так же можно объяснить изменением энергии миграции F- центров в искаженной вокруг примеси области кристаллической решетки.

После примерно одночасовой подсветки на F- полосе происходит уменьшение интенсивности полосы 410 нм, при этом в спектре начинает проявляться полоса 500 нм. После 30 часов подсветки полоса 410 нм практически исчезает. При этом в спектре поглощения появляется полоса 430-450 им. - _ - .

Следует отметить, что полоса 300 им, обнаруженная в ранних работах, нами была обнаружена не во всех образцах, хотя полоса 480-500 им появляется во всех образцах без исключения. Поэтому нельзя приписывать эти полосы одному и тому же дефектному центру. Мы считаем, что полоса 300 нм связана с M(Djii)- центрами, а полоса 480-500 нм - с Fr центрами. Так как полоса 430 нм возникает после того, когда полоса 500 нм выходит на насыщение, мы идентифицируем ее Как поглощение F4- центров.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1. На основе сопоставления спектров поглощения и возбуждения фотолюминесценции, а также температурной стабильности центров окраски и центров люминесценции надежно идентифицирована природа основных радиационно-наведепных центров люминесценции. Полоса ФЛ с максимумом 420 им идентифицирована как обусловленная M(C2hh центрами, свечение в области 460 нм - M(D2i,)-центрами, ФЛ с максимумом 530 нм - M(Ci)- центрами, а люминесценция 620 нм - R- центрами, или же более сложными агрегат ными центрами.

2. Идентифицированы оптические переходы, обуславливающие фото- и гаммалюмннесценцию редкоземельных ( ГК11) ионов (TR = Sm, Tb, Но, Tm) и YbJ+.

3. Установлено, что люминесцируюшие примеси редкоземельных элементов в MgF2 из-за эффективного преобразования энергии автолокализованных • экситонов в излучение примеси уменьшают вероя гность создания радиационных дефектов.

4. Примеси редкоземельных элементов из-за отличия ионных радиусов примеси и Mg2*, который они замещают, приводит к локальному изменению параметра кристаллической решетки MgF2." Это обуславливает уменьшение энергии дефектообразовання в. локально деформированной области вокруг примесей, что приводит К

• увеличению выхода радиационных, дефектов по сравнению с нелегировапными образцами MgF2.

5. Локальное структурное Изменение' кристаллической решетки кристаллов MgFj, обусловленное вхождением примесей редкоземельных элементов с большими но сравнению с Mg2+ ионными

радиусами, приводит к уменьшению энергии миграции радиационных дефектов, что обуславливает уменьшение их термической стабильности.

6. Ионы УЬ в кристаллах Мцр2 могут находиться как в гоех, так к двухвалентном состояниях, что объясняет отклонение радиационного дефектообразования кристаллов М^-УЬ от общей закономерности в кристаллах, активированных примесями редкоземельного ряда.

7. На основе изучения дозовой зависимости накопления дефектов, а также их термической и фотостабильности впервые идентифицированы спектральные особенности Я- и Ы- центров в К^Гт.

Основное содержание диссертационной работы опубликованы в

следующих работах:

• Статьи:

1. Радиационное накопление дефектов структуры в кристаллах легированных редкоземельными примесями. И.Нуритдииов, М.А.Муссаева, В.М.Рейтеров, Оптика и спектроскопия, 1999, Т. 186, вып.2, стр. 262-265.

2. Люминесценция центров окраски в кристаллах М^Р^. И.Нурлтдннов, М.А.Муссаева. Извёстия РАН. Неорганические материалы. 1999, №8, стр. 956-957.

3. Фотостабильность радиационных центров в кристаллах MgF2-MllF2. И.Нуритдииов, К.Турданов, М.А.Муссаева. Узбекский физический журнал, 1997, №4, стр.42-49. .

4. Фотолюминесценция радиационных центров окраски в кристаллах М£р2. Ш.А.Вахйдов, И.Нуритдииов, М.А.Муссаева. Доклады Академии наук Республики Узбекистан, 1998, №5, стр. 22-24.

5. Радиационное накопление дефектов структуры в кристаллах MgF2, легированных редкоземельными примесями. И. Нуритдннов, М.А Муссаева. Сборник трудов. Межд конф. «Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов», Ташкент, 1997, стр, 47-49.

Тезисы докладов:

1. Термо- и фотостимулированные преобразования Р- и М- центров в легированных кристаллах МцР2. Ш.А.Вахйдов, И.Нуритдииов, К.Турданов, М.А.Муссаева. «Ярим утказгичлар физикасинннг ^озирги замон муаммоларн» Халт^аро анжумани тезнслари. Тошкент, 1995, 75-бет.

2. Фотолюминесцешщя радиационных центров окраски в кристаллах

И.Нуритдииов, К.Турданов, М.А.Муссаева. Тез. докл. Межд.

конф. «Проблемы теоретической физики и физики твердого тела», Бухпра, 1997, стр.55.

3. Терм о- и фогонреобразование F- цензов на М- центры в кристаллах MgFj-TR. М.Л.Муссаева. Тез. докл. 11 Республиканской, конференции «Современные проблемы ядерной физики». Самарканд, 1997, стр.167.

4. Влияние примесей переходных элементов группы желез;? и лашоноидов на радиационное дефектообразование в кристаллах MgFi. Н.Нуритдинов, М.Л.Муссаева, К.Турдаиов, Э.О.Шарипов. Тез. докл. Междун. конференции «Современные проблемы физики полупроводников». Нукус, 1997, стр.28.

5. Influence of impurities of transilional elements of ferrum group and lantanids on the formation and llietmal stability of radiational defects in MgF2 crystals. M.A.Mus^aeva, K.Tuulanov. In: Abstracts of the third international conference of «Modem problems of nuclear physics». Bukhara, 23-27 August, 1999, P.327-328.

. Гт'*

. нелегиро-

мТ'ТТТ ТТ

0,8

0,9

1,0 Я, А

Рис.1. Изменение оптической плотности поглощения И- (1) и М-центров (2) в у- облученных дозой 3 10е рад кристаллов М§Р2, в зависимости от ионных размеров Ш- примесей.

ТЙгР

та,-/'

Рис.2. Качественная схема изменения энергии дефектообразования Еа и энергии миграции С2П1 в зависимости от изменения межатомных расстояний г,

2

1,0| ■

с!

100 200 300 Ш ' 500 600

гп о а-у

1, С

Рнс.З. а) Влияние температуры отжига па интенсивность фотолюминесценции: ' „

1 - 320 им/460 им; 2 - 370/420 им; 3 -410 нм/560 им. Доза облучения 2 10' рад (первые цифры - максимумы полос возбуждении, вторые - максимумы полос ФЛ). •

б) Термическая стабильность полос поглощений: 1 - 320 нм; 2 - 370 пм; 3-410 им.

Рис.4. Температурные зависимости интенсирности поглощения Р-(1) и М- центров (2) в номинально чистых кристаллах (а) и в • М§РгТЬ.(б)г . . .

ПОЛИР ЕР ЭЛЕМЕНТЛАРИ КИРИТПЛГАН МкР2

КРИСТАЛЛАРИДА РАДИАЦИЯ БИЛАН ^УЗРАТИЛГАН ЖАРАЁИЛАР

Муссаева Малика Анваровна ^ис^ача мазмуни

Ушбу йшда амалда биринчи марта ноднр ер элементлари ионлари цатори (Рг3*; Бт3*, ТЬ3+, На3*, Тт'+, УЬ,+) киритилган MgF2 кристалларида радиация билан 1$узгатш!ган жарабилар тад^и^ этилдн.

Комплекс абсорбцион ва лгоминесцепт тад^ицог усулларини . ^Уллаган з^олда радиация гаьсирида тупшадиган ну^сонлариинг пайдо . булиши, туплаииши, бир турдан Иккиичи турга айланиши, термо- ва . фотогургушшгиии ургаииш асосида нодир ер элементларининг киритилиШи MgF2 кристалларида радиацион ну^сонлйр з^осил булишига . икки хил таъсир цилиши: бир томоидаи, электрон уйтонишларининг нурланишсиз емириладиган энергнясини нурланишга айлантиришн туфайли радиацион нуцсонлар з$осил булишини камайтирнши, бош^а томоидаи, кйрииди ионлари улчамларпнинг Мц2' иоии улчамндан катта . булгашшги туфайли радиацион нуцсонлар ^осил булиш э^тимолиятини • ошириши курсатилди. Тажрибаларда бир-бирлари билан ра^обатлашувчи бу икки .^одисанинг биргаликдаги таьсири кузатилади.

Ишда МцРз кристалларидаш бир ^атор радиацион нуь;сонлпрнннг [М(С1)-, М(Ол,)-, Я- и Ы- марказлар] табипти, чнунингдек, 5ш3+, 'ГЬ3+, Но3+, Тт5+ ионларининг фото- ва гаммалюминесцеициясини з^оснл ^(мадиган оптик ул ишлар ашщланди.

RADIATION - STIMULATED PROCESSES IN MgFj CRYSTALS HOPED H Y RARE-EARTH IMPURITIES

Mussaeva Malika Anvarovna

Abstract

This work contains the results of the practically first study of iadialion-slimulated processes ill the MgFj crystals doped be rare-earth impurities (Pr3+, Sm3+, Tb3r, Ho3+, Tm3\ Yb3') with the use of absorption and luminescent techniques.

On the base of studying the processes of cieation, accumulation, transformation, thermal mid photostabilities of rad; .¡ion-induced defects, it was shown that rare-earth impurities influence differently upon radiation defect formation: the first, the radiation defect yield decreases because of effective transformation of energy of nonradialive decay of electronic excitations isto the luminescence energy; the second, the energy of defect formation decreases because of difference between a radiijs of an impurity and th?t of Mg2f, causing the increase in radiation defect formation probability. The experiments reveal the combined action these two mutually competing effects. The increase of en impurity ion radius was shown to stipulate the decrease of migration energy of radiation defects.

The radiation defects M(C|)-, M(D2t,)-, R- and N- centers, as well as the optical transition in photo- and y-luniinescence of ions Sm'\ Tb3+, Hoj+, Tin34, baye been identified in MgFj crystals.

Р. —- Подписано к печати2-8.02.2оС%~>к Зак. Тираж -/¿О 200 От. ОЬ-^.

Отпечатано в ЛИ ТНК „

'Гишкент, Навои, 30.