Разработка метода матричной изоляции частиц из масс-селектированных ионных пучков и его использование для исследования стабилизации ионов в твердом ксеноне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

/¿<5, ¿^РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи УДК 535.37,537.7 541.117,579.198 539.19

РАЗРАБОТКА МЕТОДА МАТРИЧНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЧАСТИЦ у\3 МАСС-СЕЛЕКТИРОВАННЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ .

ИССЛЕДОВАНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ИОНОВ В ТВЕРДОМ КСЕНОНЕ

01.04.07 — физика твердого тела

Автор е ф ер ат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва—1995

Работа выполнена в РНЦ 'Курчатовский Институт* Научный руководитель:

кандидат, физико- математических наук В.Г. Станкевич.

Официальные оппоненты:

кандидат физико- математических наук Ш.Ш.Набиев

доктор'химических наук Г.В.Сергеев

Ведущая организация: Физико- Технический Институт Низких Температур Укр.АН

Защита состоится 1996 г. на заседании,

специализированного совета по физике твердого тела в Росийскок научно»! центре "Курчатовский институт", 123182 Ыосква, пл. Курчатова, 1; т.196-92-51.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский институт". '

Автореферат разослан Справки по телефону 196-92-51.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико- математических наук —Г Ц.Д.Скорохватов

ТеиигшЫ рсддиор С.К. Смяяоа»

Покпнсано в печать 5.12.95 Форкзт 60x84/16 Уч.-идд. л. 1,25. Тарах 60. Зпш 133

Отпечатано • РНЦ «Курчатакквй иислггут» . Ш111, Мосш, пл. Ахмпшха Курчатова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТН

Метод матричной изоляция (далее Ш), заключающийся в "замораживании" активных частиц в хлмческк инертной матрице" за" "сорок-" лет существования -превратился не . только-в- один-из основных инструментов для получения спектральной и структурной информации о химчески активных (или нестабильных) радикалах, ионах и кластерах {1 ], но также и в методику направленного криосинтеза уникальных веществ, исследования динамики молекул и химических реакций [21. Метод матричной изоляции, традиционно использующий матрицы инертных газов (ИГ) з качестве изолирующей :реды, развивается параллельно и под влиянием исследований :амих хриокрасталлов [3!. Особую зежнссть как для МИ, так и для физики твердого тала в целом представляет исследования: динамики решетка, фазовых превращений, явлений переноса, 5заямодействия излучения с веществом, энергетики и динамики >лектронных возбуждений в- кристаллах инертных газов (далее ИГ)[4].

Предлагаемая работа посвящена разработке и технической >еализации нового метода матричной изоляции с использованием гасс-селектированных ионных пучков, раззитяю электрометрических ^агностических методик для исследования транспортных свойств и пектроскопии ионов, изолированных в кристаллах инертных газов.

использованием этой методической базы были впервые ксперементально исследованы эффекты, возникающие при заимодействия медленных ионов с поверхностью кристалла нерткого газа. Измерена эффективность стабилизации различных онов в КИГ а факторы ее определяющие. Изучена термическая табильность заряда в матрице, обусловленного примесными знами и локализованными собственными носителями, а также этоиндуцированная релаксация заряда а ИК, видимом и У» яапазонах возбуждения Зперзые для КИГ эксперементальнс :следозано азаимодействне экситонов с локализованными ионами и >едложены модели для его описания.

стуальность работы.

Потребность в изучении все 'болькггч класса атомов, ;лекул, исчоз я кластеров вынуждает испо-т^зовать различные .емы и методы получения и исследования матрично изолированных стиц. Известно однако, что получение матрично изолированных

ионов или кластеров со строго определенным■составом и-числом атомов традиционными методами, такими как термическое испарение исследуемого вещества, разложение вещества в разряде и др. приводит к присутствию в матрицах паразитных частиц или противо-ионов, что .вызывает последующие сложности в интерпретации получаемых спектров. Практически идеальным решением этих проблем стало бы использованние масс-селектированных пучков ионов для матричной изоляции. Несмотря на очевидную привлекательность этой модификации метода, количество работ, выполненных с.его использованием с 1988 года, не превышает' и двадцати. Причина этого заключается как в сложности совмещения эксперементальных методов: физики -низких температур и криокристаллов, физики поверхности. масс-спектроскопии и ионной оптики и 'тд , так и в недостаточности понимания основных физических, процессов, протекающих в матрице и на ее поверхности во время допирования.

С другой стороны, при спектроскопических исследованиях, стабильность магрично изолированных частиц зависит : от взаимодействия с образующимися электронными (экситоны, электроны и дырки) и фононными возбуждениями в криокрасталле. Несмотря на :большие достижения в исследовании динамики экситонов в КИГ [31 и процессов переноса энергии экситонами к примесям [3,4], до сих пор нет эксперементальных данных по взаимодействию экситонов с заряженными частицами изолированными в матрице. Динамика дырочных носителей в КИГ и, в частности, явление автолокализация дырки в регулярной решетке, активно иопользуюся для описания многих эффектов в КИГ таких. как: десорбция, дефектообразование, термо- и фотостимулированная люминесценция и др. Однако, имеющиеся до ■сих пор теоретические и эксперементалькые исследования дают противоречивые данные о процессе авт.олокализации дырок [5]. Остается неясным также влияние дефектности и чистоты образца на эффективность азтолокализации дырок в КИГ. Такнмим образом, вопрос об автолокализации дырки остается недостаточно разработанным и требует дальнейшего эксперементального исследования.

Налью настоящей" раб'ода является:' Разработка метода матричной изоляции из масс-селектированных юных пучков (МИМСИП) на базе теоретического _ и ■ксперементального анализа основных физических эффектов и :влений, возникающих в процессе допирования матриц ИГ ионами, пределение границ и лимитирующих факторов методики. Аппаратная реализация метода и разработка электрометрических оптических методов контроля процесса создания образца и его сследования.

Эксперементальное исследование стабильности и спектральных войств ионов, изолированных в криоматрицах с использованием

эзданных методик.

ручная новизна

В настоящей работе впервые эксперементально исследован зоцесс взаимодействия медленных ионов разного типа с >верхностью криокристалла.

Впервые эксперементально подтверждена возможность ¡существования подвижных и автолокализованных дырочных жителей в твердом ксеноне.

Для криокристаллов впервые обнаружен эффект ионизация ситонов при взаимодействии с примесным ионсм.

защиту выносятся•

Методика допирования матриц инертных газов заранее иготсвленными частицами из масс - селектированных ионных пучков целью их изоляции и исследования в инертней среде Зксперементальные результаты по исследованию взаимодействия пленных исноз с поверхностью кристаллов Хе

Результаты исследования динамики дырочных носителей и гмескых ионов в матрице Хе.

Эксперементальные данные по взаимодействию экситонов с сализованными в кристалле ионами и внешним электрическим 1ем.

Поактическая значимость зраСотана методика, создана и испытана установка для ■ричной изоляции активных частиц и кластеров с использованием с-селектированных пучков ионов для проведения прецизионных

спектроскопических исследований изолированных ионов, молекул и кластеров.

-Разработано и изготовлено специализированное оборудование: криостаты,. системы очистки матричного газа, ионооптический тракт, низкоэнергетичный источник газовых ионов, электронов, ионов щелочных металлов, элементарного фтора и летучих фторидов. Разработанные методики и оборудование могут, быть использованы в физических и химических лабораториях . для матричной изоляции, криохимических исследований и криосинтеза. -Исследованные в работе новые эмиттеры ионов щелочных металлов могут быть использованы для изготовления мультюцелочных фотокатодов для эмиссионной электроники, а испытанный твердотельный источник фтора и летучих фторидов может быть использован для химического травления в полупроводниковой ■ промышленности и- для получения : прецизионных потоков чистого фтора.

-В работе показано, что фототоковая спектроскопия применима в случае матриц Хе, для спектроскопии матрично изолированных ионов с малой концентрацией' и может быть альтернативным высокочувствительным методом исследования заряженных частиц. Разработанные способы подавления паразитной фотоэлектронной эут'ссии из металлических частей ячейки при реализации потоковой спектроскопии позволяют продвинуться в области УФ и БУФ при реализации этого метода.

Апробация работы Результаты, положенные в основу диссертации докладывались на семинарах и конференциях в ИОЯФ РНИ "Курчатовский институт", международной школе по Атомной и молекулярной спектроскопии в Эриче (Италия) 1991, международной конференции ТОУ 10 в Париже, Франция (1992), на международных (всесоюзных конференциях) XXI и XXII по эмиссионной электронике 1993 (94) Москва, на международной конференции по ' Химии и Физике Матрично Изолированных Частиц 1993 (Финляндия), на международной конференции по Химии Низких Температур 1994 (Москва), а также научных семинарах химического факультета МГУ, в университете Киото (Япония) и ФТИНТ (Украина).

Структура и оДъец работы. Крона введения, раЗотХ' включает четыре главы, закллчевиа' и список литературы то 129 наин-гнозаний- Она изложена на 132 . страницах зшгочая 52 ргсунка, 7 таблиц е список литературы.'.

Публикации. Осноаето результаты диссертации опубликованы в материалах международных конференций а 10 печатных работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждаются актуальность поставленной задачи, ^формулирована цель работы п краткс изложено содержание диссертации

3 перзсй главе рассматриваются свойства твердых инертных газоз, сделавшие их наиболее полхслстими сольвантами для изоляции актязных молекул, иснов и радикалов. Дается обзор актуальных проблем физики криокристаллов, связанных с темой диссертации. таких как: перенес энергии эксктонами в КИГ, нефектосбраэсэание я десорбция, стимулированные распадом ?-е--трсп:гых возбуждений, динамика собственных носителей в КИГ и грсблема аэт.-лскализации, дырок Подчеркивается, что процесс гэаимсдейстзия зкеятонов заряженными частицами,

г;яализ о ванными а КИГ, экспериментально не изучен. Остается сеясным и вопрос об эффективности азтолскализации дырок срнокристаллгх. в частности в твердом Хе. где. точность ■^еретических расчетов энергетики дырки не позволяет :пределенно указать на возможность азтолокализации.

Рассмотрен метод матричной изоляции заряженных частиц и их пектроскопия. Указаны пре.имущества метода и дополнительные возможности спектроскопад с его использованием. Особо ыделяется фактор взаимодействия ион-матрица и его влияние на пектроскопию ионов. Дад. краткий обзор традиционных методик олучения матрично изолированных ионов. Подробно рассмотрен меюшийся опыт использования метода МИ с масс-селектированными учками ионов и проблемы его использования. Показано, что азвитие методики столкнулось со сложностями, которые связаны, одной стороны, с техническими, проблемами ' получения и егистрашш матрично изолированных частиц, а с другой стороны -недостатком экспериментальных данных о процессах, протекающих э время допирования образца.

Во второй главе анализируются- процессы, происходящие пр бомбардировке- матриц инертных газов набором "модельных низкоэнергетичных• ионов'. Рассмотрены эффекты • перезарядк налетающих ионов на поверхности КИГ, дефектообразования :десорбции и создания электронных возбуждений в-матрице. Оценен .энергетические пороги возникновения этих процессов и и: квантовый выход. Проанализировано их относительное влияние h¡ сохранение индивидуальности допирующей частицы и качеств« матрицы. Обсуждаются различные варианты режима посадки ионов* нейтрализацией электронами ' и без' нее. Оценены предельны« концетрации исследуемых частиц или ионов для' различные вариантов метода. На основе количественных, оценок, определень принципиальные 'границы метода и заданы требования к егс технической реализации.

В третьей главе описывается экспериментальная установка для реализации метода МИМСИП (Рис.1). Принципиальная особенность установки заключается в том, что исследуемые частицы приготавливаются в виде ионов- в специализированном источнике /3/, затем селектируются по массе и энергии в анализаторах /5/ и /4/ соответственно, и. высаживаются на криоматрицу /1/ или соконденсируются с матричным газом /7/. Подробно рассмотрены принципиально новые источники ионов инертных газов, щелочных металлов и летучих фторидов, .специально созданные или'адаптированные для матричной изоляции." Описана процедура приготовления образца, допированного ионами, и способы его очистки. Специальный раздел посвящен разработке электрометрической методики и ячейки .(Рис.2) для контроля режимов посадки ионов и предварительного исследования образца. Суть метода заключается в одновременной регистрации ионных токов на матрицу /1/ и вторичных частиц на электроде /6/, а также измерении заряда сбразца электродом /4/ и его поверхностного распределения зондом /5/. Описан принцип работы измерительной ячейки с образцом в процессе контролируемой посадки ионов и ^альнейиего изотермического и термсстимулированного анализа релаксации наведенного заряда в образце.

Для проведения спектроскопических исследований матрично изолированных ионов предложено испсльзозать фототоковую спектроскопию (ФТС), .принцип которой заключается з

б

Рнс.1

Сдсма эксперемгнт.гпъноЛ установки лая Матричной Изаташш т Мзсс-селсктированных Ионлых Пучто»

камера источника

10 Гоа

1САМЕРА 0СРА311ОВ 1 0 Тогг , 12

МОНОХУОМАТОР

1 пей» с образцом

2 шиюиряческяЯ меетроа- жрга Эюаиый нсточня*

4 попусферячесиа эверго-аяаллзатор

3 меиростатическм линз»

б И1СС-1В1ЛИЗ»ТОр 1 вавуе* ттричкого гш

8 систем« очистки ш> . 9 сястеиа влл аырашиваши кристаллов ИГ4 10 злеетрометр . 11 ясточяшс яапртмпм ( 0-100 В) 12 оптическое стсоалсо жм ФЭУ ^таговыЯ двпгггель решета 14 »«Мочник с чет 4 (1000 вш-500 от) - X

РИС.2 Измеряте/алт «чеЯи ал» исслеяовам проаессов взаямояействил яояов с поверхностью тзерггл кягртных газов и релаксационных проаессов с участке« «овов < обрспе

1. М&ц»гаа.ИГ X С«лфхромк<

пошяию» I. Хтдолротса < \ < Поепмш! звктраа \

5. Игопачмм* хлш

6. Цюгюаржчтсж* эпекгров |

7. Нллуск гем. I Из*«5итешик1

юааккгвхор

фотостимулированном обмеие зарядом между локализованным ионом и матрицей с образованием подвижного носителя в кристалле. Рас сматривается аналитическое оборудование . для ФТС ;спектроскопии (Рис.1, /10-14/) Предложены методические приемы •использования ФТС в УФ в БУФ дйапазоне, в частности способы подавления паразитной фотоэлектронной эмиссии из металлических электродов измерительной ячейки.

В четвертой главе изложены эксперементальные результаты _ исследования матрично-изолированнкх ионов с использованием развитых в работе методик.

1. Приведены результаты исследований взаимодействия медленных > ионов щелочных металлов и инертных газов с поверхностью твердого Хе. Эти две группы ионов относятся к противоположным (I и VIII) группам в таблице Менделеева, й можно ожидать, что . результаты будут отражать предельные случаи. характера взаимодействия ионов с поверхностью KHF.

В эксперименте производилась "мягкая" (Екия < 10 зв). посадка масс-селектированных ионов на пленки ксенона. Характерные временные токовые кривые для тока на образец Ijj /1/ (Рис.2) и на специальном . окружающем образец электроде /6/ 1цэ(Ъ) трех типов ионов показаны на рисунке 3. Изображены три цикла зарядки при ступенчатом понижении тормозящего потенциала подложки образца Vq . Динамика токовых ■ кривых определяется зарядкой, свободной поверхности образца, его проводимостью и электростатическим отталкиванием пучка ионов.

Зависимость эффективной плотности поверхностного заряда Qc от дозы Qf (рис. 4) указывает на полную локализацию на поверхности образца заряда, обусловленного ионами щелочных металлов ( кривая А), и на наличие процессов релаксации заряда (т.е. наведенной проводимости) в матрице, облучаемой Ne+, Хе+ (кривые С и 3 соответственно). Как следует из наклона кривых, эффективность локализации заряда вблизи поверхности образца для Ne+ меньше, чем для Хе+. Для сравнения, на рисунке показана зависимость Qg (Qf) для матрицы, облучаемой медленными (7 эв) электронами (кривая D), для которых локализация в образце практически отсутствует. •

Изучено влияние качества и чистоты матрицы на зависимость QS (Qf)• Постепенное ухудшение качества матрицы или ее загрязнение в процессе эксперимента приводит к "выравниванию"

Ток [отк.ед.]

Рнс.З.

'Переходные токи 'при'зарядке

матрицы" Хе

Рнс.4

Об .. 20

Зремя [отн.ед.1

Г^- тех «змергелый с мепллачесгога гоялеггор» тжркгога ютр*яе£ Хе

- ток аж ядятя II аяехгреж

1д» » ¡д2 - сошкщзуюдде,шагом* топ. 1а| » сопн > слупе А - воям» -тоилхшот пап . !л1 - V» I епчи 3 < С • пятое шрачво* воотоомхт* 9 обрляв

Поверхностей прим ялеяп таерюго Хе азпахггелмык! яониа

С ПС]

ю-

0. * 0 с3у

-'V 0 К/

Лг-пГ Мв+

С

—1--1_____

О,- эффелпаыв <юк?хвостеы* лртз Ог «спчиишиямжош . . 1(0. аоащв тес п обрюеа •

6 - таяхтпа образа*

А-ми

»■е..

ю е'

С^ С пСЗ

. кривых В, С для газовых ионов Вплоть до достижения линейной зависимости, свойственной ионам щелочных металлов: Такая же. линейная зависимость наблюдается для всех видов ионов, допируших изначально• дефектную .матрицу, выращенную на переохлажденной (Т-20 . К) подложке или из газа без предварительной очистки.

Измерение формы поверхностного распределения заряда

• выявило ее стабильность при стимулированной температурной или оптической релаксации заряда: Таким образом, сделано' заключение, что заряд не. стекает по поверхности и все релаксационные процессы идут по объему образца. Для обьяснения динамики накопления и релаксации заряда была предложена следующая схема (рис.5):

Подлетающий к поверхности матрицы ксенона ион Ne . нейтрализуется, либо за счет Оже-процесса электроном :из валентной 5Р-эоны (процесс AN1 на рис.5), либо квазирезонансно электроном, из остовной 5S- зоны (процесс QRN2). В последнем случае. образовавшаяся 5Б-дырка также нейтрализуется в последующем оже-процессе (AN2). Таким образом, единичный акт нейтрализации иона Ne+ приводит к созданию двух дырок в валентной зоне- ксенона и оже- электрона. Часть дырок, термализуясь, локализуются на дефектах, или автолокализуются

• вблизи поверхности, и создают внутреннее • электрическое поле, которое и вызывает направленное движение нелокализованной части носителей . внутрь образца. Большая часть оже-электронов также

■ термализуется и частично нейтрализует локализованные у поверхности образца дырки. Некоторое количество "горячих" оже-электронов определяемое квантовым выходом у покидает матрицу с избыточной кинетической энергией ,ДЕ ~ Ei - 2(Eg + X) и ;. регистрируется как отрицательный ток вторичных электронов (рисунок S кривая С- оже- электроны).

2. Ион Хе нейтрализуется квазирезонансно электроном из 5р зоны Хе ( рис.5, QRN1)*

Как и в случае Ne+, образовавшиеся 5р дырки обуславливают проводимость матрицы и, следовательно/ релаксацию заряда. Захват дырок на дефектах и их автолокализация приводят к частичному запасанию заряда в образце и созданию внутреннего поля в нем. Этим и определяется вид кривых В,С. (рисунок 4). Эффективность зарядки в случае облучения ионами Ne несколько

Рис.5

Некоторые процессы иаямоаейстмм хоио.» с поверхность» шгалехтрии 1

~ t IS :

7L

■VL - уровень aaryywi X • срогетю с аяегтроку Ej - цшрнк« апрешеимоА х»ш Ei - потенциал ионюаими кгомк W. ширина валентной зоны СВ. ЮК* TpOSOSHMWrn! VB . валентная эома

А£ • оже- мест-рсч

пр01к«м! l . лоилюаик» ëuej

QR.4. Имн-режжаяем» пер«»о«аи

ь - Ej » х * wa i wj

RAN - юяуадлинм жйтралкшпя

е$ х *w < ш < :ej .х

AN - оже нейтратоациа Ei > ;е5 ♦ X "Hi- аягслогаяиэаша лырок

TEMPERATURE[К]

РИС.6 Термостиму.тировагаое стегани» japiia s матргпе Хе облучепнов ыонакк: К* • мирггикя

■ Ne* -крупа (в этом случае яа&ааыета m релаксационных пропесса при Т - 48 я 75 К. ) Нижнм tpou • аерва* арокзвогаи от техвературяов зависимости потащим поберхлосп обриоа V, un с-тучи зарщкя воаамв Ne+ . ' Hi астмке ал* ермвешц вревекяы результаты по TSL полученные в [ ï )

меньше вследствие наличия дополнительного канала нейтрализации заряда, обусловленного оже-электронами. Вид , иона также влияет на характер тока насыщения (или "платового" тока 1п1,а) для токовых кривых Рис.3. Это объясняется тем, что, в случае -щелочных металлов,, зарядный ток есть чистый ток смещения, в то время как в случае допирования■ионами инертных газов, зарядный ток есть сумма токов смещения и омического тока. Последний линейно растет при увеличении. Возникновение . Наведенной омической'проводимости „в этом случае подтверждает появление подвижных дырочных носителей в матрице ксенона для ионов,, испытывающих перезарядку на поверхности образца.

Зависимость эффективности, локализации заряда в процессе допирования от. качества матрицы указывает на то, что, по крайней мере частично, за локализацию дырок в твердом ксеноне отвечает их захват на дефектах кристалла.

Для фиксирования процессов ударного рождения электронных возбуждений в матрице Хе, исследовался спектр свечения образца в зависимости от кинетической . энергии, 'налетающих' ионов.. Выбирались ионы, щелочных, металлов для' которых отсутствуют . альтернативные способы передачи энергии электронной подсистеме кристалла кроме ударного.Показано, что процессы кинетически стимулированного возбуждения матрицы, как и в.случае ЩГК имеют порог, превышающий 100 эв. Одновременно на. это' указывает Появление загиба кривых йз/'Чр, сходного со случаем зарядки ионами Хе+* , при облучении матрицы ксенона ионами щелочных металлов" с Екав >. 100 эв. Таким образом, сделано заключение, что при этих энергиях ионы щелочных металлов создают не только нейтральные возбуждения в; твердом ксеноне, но я электрон-дырочные пары'.

2. Для исследования температурной стабильности положительного: заряда локализованного в матрице Хе, заряженный образец равномерно нагревался со скоростью £ - 1* К / мин при этом параллельно . измерялись потенциал .поверхности У3 . в. сигнал люминесценции (ТСЛ). На рисунке б! изображены харатерные температурные зависимости У3. для матрицы . заряженной ионами щелочных металлов и инертных газов. Показано. что заряд обусловленный К* остается стабильным вплоть до сублимации образца в вакуум при Т ~ 65 К, . В случае Ме+ на кривой термостимулированной релаксации заряда образца наблюдался более

низкотемпературный процесс при .Т - '48. Ухудаекне качества матрицы пли ее загрязнение прйзОдят к потере этой низкотемпературной особенности сигналов, Уз(Т) к ТСЛ. Релаксационный дырочный процесс при Т ~ 48 К приписывается нами термическому разрушении автолока'лизбванного. состояния (АЛД), в то время как процесс происходящий при более высоких температурах, по-видимому, связан с захватом дырки на более глубокие ловушки, сбеусльвл'енкыё дефектами криоиатрицц, не отжигаемыми плоть до сублимаций образца. Такая иитерпратация основана также на хорошем совпадений наших результатов и кривей териодюминесценции комплексов с переносом заряда в твердом Хе (Рис. 6 ''¿ставка ) йрёдс^авлёНой в работе (5].

Для ойисакий Дйкккики дырочных носителей предполоаен следующий сценарий. Йосяё перезарядки ионов. инертных газов вблизи поверхйоб^й кристалла Хе, образовавшаяся в валентной Зоне "горячая" дйрка ймё&т тра-кййла релаксации:

1. В' подвижное состЬйкйе

2. В'автолокалйзоё&ннь'е состояние .

3. В состояние''локалкзд&кнноё на дефекте.. . .

На наличие первого канала указывает появление тока насыщения 1П1.2, линейно зависящего от потенциала поверхности на токовых кривых зарядки (Рис.3), а . также загиб кривой Ча/<5р при увеличении (Зр. Пока неясно, соответствует ли это состояние зонному носителю или полярону с относительно высокой подвижностью, так как информация о подвижности дырки я ее температурной зависимости при низких и промежуточных температурах отсутствует. По-видимому, -подвижное состояние, отделено от автолокализованного барьером. В противном случае, за короткое время - сек произошла бы автолокализация. В'

нашем случае автолокализация облегчается по-видимому за счет изначальной избыточной энергии■ дырки сразу после перезарядки иона, которой достаточно чтобы преодолеть автолокализационный барьер.

3. Для исследования фотостимулированной релаксации заряда- в матрице измерялся потенциал V3 заряженной поверхности образца до (Чд(0)) и после (У3(1)) облучения образца светом через сменный фильтр. Строилась зависимость эффективности' разрядки образца как • функция длины волны

зропускания для стандартного набора фильтров: Се, ИКС-3, КС-11,..

Рис.7 ■ Зависимость протенциала поверхности »ряженного образца от длины волны возбуждающего света. Спад VI еювая фсгостимулированиым освобохлсняем локалиаоолиных дырок в матрице Хе. ' Усаззды {ракииы пропускали* фюитров Ос, ТС-3, ИКС-3. КС-11

\Vivelength [ цк ]

модвйстмя с ближайшим еосшом. Ли — мерпи. мобмаммм да мрвепо. «м. »пи аогпошиатл «ото«. [ $ ]

СЗС-8 (Рис.7). Было установлено,, что заряд обусловленный ионами щелочных металлов или захваченными электронами, не испытывает

фотостимулйрованной - релаксации..... в указанном - диапазоне

возбуждения, з то время как порог возбуждения фототока, обусловленного переводом локализованной (или

автолокализованной) дырки в подвижное состояние лежит в области ЕехЪ -0.6 зв (рис.7).

Несмотря на стабильность изоляции ионов щелочных металлов в матрице ксенона под воздействием видимого света, была предпринята попытка получить фотостимулированные токи в УФ-диапазоне возбуждения.. Ожидалось возбудить' прямые переходы "ион-валентная зона", лежащие в области прозрачности матрицы. Для 1л+ энергия этого перехода без учета поляризационного взаимодействия, которое составляет порядка 1 эв, лежит в области 4-5. эв. Однако такие переходы в спектре фототока не наблюдались. Сделано предположение, что отсутствие сигнала фототока на уровне 10"А при возбуждении видимым и . УФ светом, при концентрации ионов порядка 10";Ю см'З и эффективном потоке фотонов — 10^-5 см^ сек"1- ' дает верхнюю оценку сечения' этого процесса: ст < 10"21 см^. Это минимум на три порядка меньше характерных сечений при прямом возбуждении иона.

Нестабильность АЛД состояния под действием облучения светом с X 5 2 мкм ( ~ 0.6 эв) (рис.7) объяснена в рамках предложенной в работе [61 схемы, где показано, что помимо чисто термически активированного перескока полярона из одного узла на другой с энергией активации порядка Яа, возможен оптически стимулированный переход (Рис.8) под действием света с Ы - 8Иа. В нашем случае №а - 0.1 эв (по данным работы (5)), энергия возбуждения Ы> оказывается - 0.8 эв, что близко к энергии начала фотостимулированной релаксации заряда, полученной- нами (см. рисунок. 7). Таким образом, можно заключить, что в твердом ксеноне:

1. При низких Т, при указанном способе создании дырок в образце подвижные носители сосуществуют с автолокализованнымк.

2. Аатолокализованное состояние дырки стабильно и отделено от края подвижности энергетическим барьером порядка 0.1± 0.05 эв.

3. Помимо автолокализации, дырки эффективно захватываются дефектами кристалла. Мелкие ловушки могут быть устранены

отжигом образца, -более глуСйкве удеуданавь заряд вплоть до .сублимации матрица, •

4 Методом фототоковой . спекхро^дшда наследовалось взаимодействие экситоноа с локализованным зарядом. Типичный спектр возбуадания фототоков для чистых (пунктирная кривая I) и допировании* коцами К+ (кривая II) матриц Хе показаны на рисунке 9. На этом спектре можно выделить три области: предвозбуадения (Al, эксятонная (В1 и область прямой Фотоэмессен 1С}. Области [А и СГз спектрах фототока объяснены процессами паразитной фотоэмиссии из металлических электродов и прямой фотоэлектронной эмиссией из твердого Хе соответственно. Аномальные особенности возникают в экситонной области ÍB! для допированных образцов. В отличие от традиционных исследований По • фотоэмиссии из пленок инертных газов, нанесенных на металическую подложку, где • наблюдаются минимумы з эксатснных позициях фототока за счет тушения экситоноа приповерхностными примесями, в нашем случае в экситонных позициях наблюдаются максимумы.

Для объяснения полученных результатов предложен следуюсий механизм: ионы К+ локализуются в матрице инертного газа в виде изолированного иона или молекулярного иона К^Хе вблизи поверхности образца в слое L - 100 А. После создания свободного экситона вблизи поверхности образца, где велика концетрация ионов, экситон, в силу большого сечения взаимодействия с ионом, захватывается ионом и ионизуется в результате процесса :

К+Хе + Хе' -» Хе+ + '+ ХеО ♦ 5Е (1) с образованием дырки. Эта подвижная дырка дрейфует под действием внутреннего поля в образце к коллектору и обуславливает измеряемый фототок. При увеличении глубины проникновения света в образец вероятность взаимодействия экситона с ионом уменьшается, и фототок падает. В силу того, что глубина проникновения света является функцией коэффициента поглощения образца, фототок имеет пик в экситонной позиции. Для грубой оценки вероятности процесса (1) рассмотрено газокинетическое приближение для соответствующей ионо-молекулярной реакции. Согласно этому приближению реакция происходит в два этапа:

lnlensity [arb. Units)

p> <

<ii OQ

n O O

CO

o O

A o O

o> o o

33

o

o o

1. Захват эксятона и формирование промежуточного активированного комплекса Хе*+ ХеК+ КХеКХе)+Г (2)

2. Диссоциация этого комплекса по следующим каналам:

(ХеК+)* + ХеО + 6Е1 (За)

; [(ХеКХе)+] * Хе+ + К° + Хе° + 6Е2 (ЗЬ)

Хе+К + Хе° + 6Е3 (Зс)

. Хе2+ + К° + 6Е4 (3<1)

Допуская справедливость проведенных выше оценок и для твердой фазы, показывается,, что образование свободных и автолокализованных дырок в процессе распада активированного комплекса является превалирующим. Подвижность этих положительных носителей и обуславливает измеряемый фототок. Таким образом, сравнительные оценки свидетельствуют об эффективном участии зарядовых комплексов типа [ (ХеКХе)+Г в .. формировании спектров возбуждения фототока.

Измеренный спектр, возбуждения люминесценции (Рис.10) близок к уже известным результатам, где наблюдаемые минимумы в экситонных позициях связывались с потерями на отражение и переносом энергии' экситонов к тушащим центрам на поверхности. .Как видно из рис. 10, допирование поверхности ионами не приводит к заметным изменениям в спектре в низкоэнергетичной его части. Однако, в области экситона с п-2 наблюдается . заметное тушение свечения АЛЭ. Уменьшение выхода люминесценции для заряженных образцов, объяснено преимущественной, ионизацией слабосвязанных свободных экситонов с пг 2 в сильном электрическом поле наведенным поверхностным зарядом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработана методика изоляции химически активных (нестабильных) частиц и кластеров в инертной среде конденсированных благородных газов. Методика основана на использовании низкоэнергетичных масс-селектированных пучков соответствующих ионов для допирования матриц инертных газов. Рассмотрены процессы упругого рассеяния ионов атомами твердых инертных газов, на основе которых, приведены оценки оптимальной кинетической энергии налетающих частиц, выхода дефектов и распыляемых атомов, предельной концетрации изолированных частиц.

2. Создана и испытана установка для матричной изоляции с использованием ионных пучков. Разработано и изготовлено специализированное оборудование: криостаты,- системы очистки-матричного газа, ионооптический тракт, мультиионный низкоэнергетичный источник, позволяющий■получать новы инертных, газов, электроны, ионы щелочных металлов, элементарного фтора и фторидов.

3. Впервые эксперементально изучены эффекты неулругого взаимодействия медленных однозарядных ионов Сз*> К*. Хе". Кг" и с поверхностью твердого Хе. Установлено, что.ионы щелочных металлов с кинетической . энергией 5 100 эв при локализации в матрице Хе не изменяет своего зарядового состояния. Показано, что ионы инертных газов Хе+, Кг* и Ме* испытывают перезарядку на атомах мшени за счет перехода электронов валентной зоны Хе на вакантную р-оболочку иона, при этом нейтрализация Ые* сопровождается эмиссией оже-электрона в вакуум. Эксперементально показано,, что процессы кинетически стимулированного возбуждения электронной подсистемы матрицы Хе налетающими ионами имеют порог, превышающий 100 эв.

4. Ка основе изотермических токовых, термо- и фотостимулирсванных электрометрических исследований дырочных носителей в ксеноне, сделан вывод о сосуществовании при низких температурах подвижных и автолокализованных дырок. Для обьяснения эксперементальных результатов сделано предположение о существовании энергетического барьера между этими двумя состояниями дырки в твердом Хе, высота которого по оценкам составляет 0.1 ± 0.05 эв.

5. Исследована температурная стабильность локализованного

заряда э поликристалле Хе. Показано, что в полукристаллической матрице Хе, локализованные при низкой температуре дырки при нагреве образца приобретают аодвижность при характерной температуре Т ~ 48 ±3 К. Этот процесс идентифицирован как термическое разрушение автолокализованного состояния дырок, •"бнаругекы также белее глубокие дырочные ловуаяси связанные с дефектами криокристалла Установлено, что заряд, обусловленный -рймесяымя" ионами щелочных металлов, термически стабилен зо зеей области существования криоматрицы.

3. Впервые для криокристаллов обнаружен эффект ионизации экситона на примесном ионе, что приводит к появлению пиков ¡ютотока в области экситонного поглощения на спектрах

возбундения фотопроводимости твердого Хе, догшрованног.о ионами К+. Предложена.модель захвата свободного экситона на заряженных центрах ХеК+, и образования подвижной дырки в результате распада сформировавшегося возбужденного комплекса.

7. Для допированных ионами образцов Хе обнаружено тушение люминесценции автолокализованных экситонов (AJI3) в высокоэнергетичной части спектра возбуждения свечения АЛЭ. Этот эффект объяснен преимущественным развалом слабосвязанных экситонов с n i 2 сильным электростатическим полем в образце.

8. На примере ионов IT" , внедренных в матрицу Хе, установлено, что сечение прямого оптического перехода электрона из валентной зоны матрицы на свободные уровни примесного иона как минимум на три порядка меньше сечения поглощения самого иона.

Литература:

1. Ы.Moscovita, G.Ozin, Cryochemistry, M.У., 1976. 2 . Сергеев Г.В., Батюк B.Ä., "Криохимия*, «.Химия, 1978.

3. А.Прихотько, В.Манжелий, И.Фуголь, Ю.Гайдидей, И.Крупский, В.Локтев, Е.Савченко, В.Слюсарёв, М.'Стржемёчный, В.Фрейман, Л.Шанский в сб. "Криокристаллы*, Наукова думка", Киев, 1983.

4.'Electronic Excitation in Condensed Rare Gas Solids" eds. N.Schwenter, E.E.Koch and J.Jortner,. Springer Tracts in Modern Physics v. 107, (1986) • .

5. M.Fajardo, V.A.Apkarian "Energy Storage and Thermoluminescence in Halogen Doped Solid Xe. Photodynanics of Charge Separation, Self-Trapping, and Ion-Hole Reconbination", J.Chem.Phys., 89 (7), 1988, c, 4124. ' -

6. Austin Г., .Mott K. Adv.Phys. 18, 41 (1969)

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. P.Guertler, A.Kolmakov and V.Stankevitch "Photoconductivity and luminescence of. K+ doped solid Xe" Jahresbericht, llASYLAQ. DESY 1991, pl85

2. A.A.Kolmakov, V.G.Stankevitch, L.P.Sukhanov, P.Guertlèr and U.Kraas "Photocurrent arid luminescence exitation. . spectra of solid Xe and Kr doped with K+ ions " Preprint IAE- 5638/5 1993 •

3. Колмаков А.А. Кульварская B.C. " Простой малогабаритный источник атомов щелочных металлов" Препринт ИАЭ-5637/14, 1993

4. Колмаков А.А., Кульварская B.C. " Комбинированный источник ионов щелочных металлов" Радиотехника и . Электроника 1993, т 40 вып. 11 стр. 97-102

5. Kolmakov A. and Stankevitch V.'Some aspects of Matrix Isolation from Mass Selected Ion Beams" in Modern Trends in Low Temperature Chemistry p. 107 , Moscow Univ. Publish, house 1994

ë. Kolmakov A. and Stankevitch V.G." Inelastic interaction Of low energy mass-selected ions with solid Xe surface" Lon Temp. Phys. 20, 1178-1181, 1994

1: Bezmelnitsyn V.N., Bezmelnitsyn A.V. and Kolmakov A.A.

" New solid state electrochemical source of pure fluorine" Preprint IAE-5733/9 to be published in ,J. of Fluorine Chem. 1995 ..-'""'.

8. Kolmakov A. and Stankevitch V.G." Stabilisation of surface chargé in vaporised Teflon FEP films doped with Cs and Xè ions" Preprint IAE - 5909.11 1995

9. A.A.Kolmakov, V.G.Stankevitch, L.P.Sukhanov, P.Guertler and H.Kraas "Ionisation of excitons at impurity XeK+ molecular ions isolated in solid Xe" Low Temp. Phys. 1995, 21(5), p. 435-439

10. Колмаков A.A. , Станкевич В.Г. "Некоторые аспекты матричной изоляции из масс-селектированных ионных пучков" Вестник МГУ сер. хим. т 36,.# 4, 1995