Центры захвата и рекомбинации носителей заряда в керамике на основе нитрида бора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Министерство на:,та, чнсйей сколы ¡; технической г.с.ип^ки Русски Томский государственная уииверс;г?ет им.В.В.Нуйбншева

Нэ правах руаописи

КОНУСОВ ФЕДОР ЗАШЪЕВДГ'

535,37:539.2:621.315

ЦЕНТРЫ ЗАХВАТА И Р5К0МШНАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ с АРВДА В КЕРАМИКЕ НА 0СНС8Е НИТРВДА БОРА

Специальность 01.04.07 - Физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание.ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1993

Работа выполнена в HJiíi вксоках наврягекий при Тсмакзь политехническом угавереаттео

НаущдаЯ рукоеоддаеяь

Официольнкз оппоненты

Ведущая организацию

кандидат фйэнЕО-ыатвыакгчосккх наук, дэцент Лопатин Б. Л, (Ш-ГЯ шгоких непряксний при ИГУ"»

г. Гоне:;).

доктор технических наук, профи» ссор Воробьев Г.А.

кендидат фиэико-матоматичсс.тз: наук, доцент Лиснцина Л.А.

Урал&схий политгхнпчег kiíü iuícte тут (г.Ег.атеркнбур;1).

Зсзята состоится MácX 15ЭЗ г., в /Ч

на заседании специализированного Совам К С63.53,05 б Toi:cstcsi Государственном университете (634050, г.Touch,50, 'пр.ЛанкЬ'Т, 33)

С днссортадоей ыогло ознакомиться б научной библиотеке ТГУ. '•

Автореферат разослан ¿?1933

года

Ученый секретарь специализированного ^^^^ Совета К 063.53.05, к.ф.-к.н., дэцоит И. Н. АНОХИНА

ОЩАЯ ХАРАКТЁР1ЕЛИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Среди высокотемпературных материалов, сбл.Давидах одновременно высокими диэлектрическими, теплофизиче-с:гг'-! а термомехЕническимп свойства:':!, особое место занижает наградная керамика. Перспзкглвными еа предстаситоляии является нориянса на основа нитридов бора и алюминия, Исследованный в работе шролктический нитрид бора (ПНБ) - внсокодясперсный тек-сгуркрованкый диэлектрик, з которого развито поверхности кристаллитов к гысохпо концентрации дислокаций и дефектов упаковки являются областшш стока а аннигиляции наведенных облучением атсуннх дефектов. Это обеспечивает высокую радиационную стой-' кость 1С воздейсгаю не только «огдного л* - я электронного облу-чэш!я5 но и потоков тяжелых частиц: нейтронов, протонов, дейтронов, что позволяет применять ПНБ в установках термоядерного синтеза. Ромбоэдрический ПНБа ('г-ЗУ), а гаххв полученный из ПНБ и ПНБ^ в результата пряного фазового перехода кубический ВМ азляэтея высокотеплопроводными диэлектриками, сопротивление« ^-В?/ модно варьировать в гглроких пределах при использования для его получения различных ПНБ. ПНБ ^ является линейным пирозлектриком и мозет быть использован в качестве приемника иоцного ИК-излучения и шродатчика. Высокие люминесцентные свойства ПНБ и ГШВл до рекордно высоких температур делают их перспективным? высокотемпературным!! люминофорами.

Диэлектрические, люминесцентные и другие свойства реальных диэлектриков связаны с электронным строением запрещенной зоны, т.е. локальными энергетическими уровнями, образованными дефектами структуры: вакансиями, ыеждоузельными собственными и примесными атомами, кх комплекса«;! и окружением дефектов, Исследования локальных уровней в Вк/ немногочисленны и проводились в основном на порошках» данные по ромбоэдрическому 5А/ в литературе полностью отсутствуют. Из анализа литературы следует, что имевшиеся данные по энергетическим характеристикам локализованных состояний дефектов в графитоподобном И-ВЫ определены некорректно; схемы сопровождающих электроперенос и люминесценцию' электронных переходов не составлены} вероятная природа дефектов обсуждена односторонне. Слабая изученность электронной структуры запрещенной зоны керамического В А/ обусловлена сложным строением и высоким сопротивлением (при Т<850 Ксм).

Цель работы заключается б исследовании энергетически: уровней дефектов, являадихся центрами захвата и рекомбинации в керамическом нитриде бора различной дефзктности н строения, и определении их влияния на свойства материала. При этой решались следующие конкретные задачи:

- определение энергий и кинетических характеристик сравнительно неглубоких уровней {£ < 1.5 эБ) метода?«! термоактивацкон-ной спектроскопии TAC шдаинесценцяи к тока проводимости;

- определение характеристик глубоких уровней ( С ^ 2.0 эЗ) по спектрам люминесценции и поглощения;

- выявление типа носителей заряда, механизмов лвминэзцэнцзы и проводимости; составление схемы териоакгивацкокнах и рекоибк-национных переходов, определявших диэлектрические к оптические свойства керамики;•

- определение влияния' нейтронного облучения на дефектность

ВЫ\

- определение природа биографических и радиационных дефектов.

Научная новизна работы заключается б следувдеы.

Распределения неглубоких уровней по энергпяа и кинетические характеристики установлены путал применения методов T&G высокого разрешения.

Показано, что в BftJ реализуется электронко-днрочняя адта-вацконная проволкмость с участием яохалькнх.центров захвата к '• рекомбинации; вклад прькковой прсводкыости менее существенен. Определен превалирующий тип носителей в h - и 1 -ВА/ с разлач-ныуи уровнями дефектности.

Составлены схеш электронных переходов, сопровождающих элоктроперенос к яошнесцегадеэ в материалах.

Расширена представления о природе дефектов, образующих локальные уровни.

Обнаружен пироэлектрический эффект в BN .

Определены энергетические а кинетические характеристику составлена схема уровней и переходов в облученном нейтронами ¿ЗД/ и про с л едена её трансформация при термическом отгиге.

Практическая ценность работы определяется:

- установлением связи характеристик локальных уровней в керамическом ЗА/ с различными дефектностью, реиэткой и строением с явыинесцентныыи и диэлектрическими свойствами;

- разработкой коыплехса нетрадиционных методик, позволяющих исследовать электронную структуру запрещенной зоны высокодисперсной непрозрачной слабопроводящей керамики;

- рекомендацией применения керамического АСА/' для визуализации мощных пучков рентгеновских и -квантов (защищено авторским свидетельством, а.с. № 4387916);

- рекомендацией применения ПНВ ц в качестве высокотемпературного пиродатчикя и приемника ИК-излучения;

- рекомендацией применения графитоподобного ВМ , как обладающего высокой радиационной стойкостью диэлектрика, в установках термоядерного синтеза.

На защиту выносятся следующие положения.

1. В ВА/ в диапазоне Т а 300 - 700 К реализуется актива-ционная электронно-дырочная проводимость с /7 - и р-компонентами переноса, ТСЛ и ГСП ВА/ определяется тремя основными группами сравнительно неглубоких (0.7 - 1.3 эБ) уровней с частотными факторами 10® - 10 уровни опустошаются по кинетике промежуточного порядка (1^ сС ^Г2).

2. Спектры люминесценции ВА/ определяются 4-мя группами глубоких уровней рекомбинации.

3. Энергии уровней и их концентрации определяются видом . атомных дефектов, строением керамики и типом решетки В А/ и зависят от технологии изготовления.

4. Оптические и диэлектрические свойства облученного нейтронами ПНБ определяются глубокими (> 2 эВ) радиационными уровнями, которые оказывают сильное влияние на мелкие радиационное (0,1 - 0,7 эВ) и биографические уровни.

Публикации. По теме диссертации опубликовано ГО работ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: 1У Всесоюзного совещании по воздействию ионизирующего излучения и света на гетерогенные системы (Кемерово, 1986); У1 Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (Томск, 1988); У Всесоюзном совещании "Радиационные гетерогенные процессы (Кемерово, 1990); УП Всесоюзном семинаре "Получение, свойства и применение нитридов" (Рига, 1991); П межотраслевом" совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1992); семинарах НШ ВН при ТПУ.

Объем и структура. Диссертация состоит из введения, четы-' рех глав и заключения; содержит 151 страниц, 33 рисунка,список литературы из 129 наименований и 14 таблиц (приложение).

СОДЕШАНИЕ РАБОТЫ

Во введение обосновывается актуальность темы исследования, определены цели и задачи, сформулирована научная новизна и приведены основные положения, выносиыые на защиту.

В первой главе проанализированы данные зонных расчетов в// графитоподобной (Л-5/1^)» ромбоэдрической (V -8А/) и кубической (Z ~В№) модификаций и рассмотрено влияние электронной структуры запрещенной зоны (уровней дефектов)на диэлектрические и люминесцентные свойства; выбран комплекс нетрадиционных методов определения характеристик локальных уровней, как единственно пригодных для решения поставленных задач применительно к слабопро-водяцим широкозонным диэлектрикам.

Согласно расчетов В>Ь/ является диэлектриком или широкозонным полупроводником (£^5 эВ), в котором возможны и прямые, и непрямые междузонные оптические электронные переходы и меж долинное рассеяние носителей. Ионная проводимость при Т < 1400 К отсутствует. Анализируются возможности описания температурных зависимостей терыостимулированных проводимости ТСП и люминесценции ТСЛ возбужденного диэлектрика в предположении электронно-дн-рочного активационного (ионизационного) механизма переноса и зонной люминесценции.

Рассматриваются простые уравнения тершетимулированной релаксации в рамках одноуровневой модели. Реализации прыкковой проводимости в ВЛ/ способствует ряд факторов - высокие концентрации дефектов, низкие степени заполнения, наличие глубоких коы-пенсирухвдх уровней. Априорно определить механизмы электропроводности невозможно.

Границы в полукристаллическом ВА/ - ыежкристаллитные и «^»агрегатные границы, дислокации - могут искажать разрешенные зоны и размывать спектры электронных состояний приграничных дефектов.

Отсутствие в литературе достаточных данных о характеристиках локальных уровней в 6А/ и корректных предположений о ыеха-•!::2:(ах переноса и люминесценции требует их детального определе-

Основания для выбора методов исследования следующие. Традиционные способы определения природы проводимости, подвижности и концентрации носителей заряда - методы Холла, Тубандта и Тер-моЭДС - даже при использовании высокоразрепающей аппаратуры ограничена сопротивлением материала не вше 10^ - Ом см (сопротивление 6А/ выше Ю15 Ом см); методы НСГУ <\5iLTS) также неприменимы к высокодисперсной керамике. Как показали наши исследования, единственным способом определения знака носителей заряда (в случае электронно-дырочного переноса) является метод терлосткмулированной деполяризации ТСД, включающий измерения: термостиыулировашых ТСТ и терыодиф$узионных токов ТДТ; токов • термодеполяризации ТДП и т.д. Совместное применение ТСД с ТСЛ и ТСП позволяет сделать вывод о механизме переноса, так как наблюдение корреляции этих процессов является доказательством существования электронно-дырочной активационной проводимости. Это позволяет определить положение уровней дефектов в запрещенной зоне и их тип - доноры или акцепторы и выделить уровни, оказывающие наибольшее влияние на перенос и люминесценцию.

Вторая глава посвящена методикам исследования.

Исследованы следующие материалы: коммерческий ПНБ (/? ~ВЫ~) уЭ~1.9 г/см3; ПНБ с нарушением стехиометрии в пользу бора на

(!Ж%); плотный ПНБдд (40-803 к -&А/ и 60-20% -Г-^Л/) /)~2.0 - 2.15 г/см31 ромбоэдрический ПНБ^ ; полученный из ПНБ и ПНБ^ 2-ВА/ * облученный нейтронами ПНБЛ н керамика на основе /¡¿А/ с различными спекающими добавками.

Распределение центров захвата по энергиям активации <5 и их кинетические характеристики (частотные факторы Б , порядок кинетики сК , степени заселенности П/// , где // - концентрация, /2 - заселенности уровней) определялись по температурным зависимостям интенсивности ТСЛ I (7*) и провс лшоети ТСП б (У) в режимах линейного и фракционного нагревов и изотермического затухания. Для обработки использовались простые уравнения одноуровневой модели для электронно-дырочното антавациошого переноса и зонной люминесценции:

Кбхт) ^1оШ/МВ)СТ)ехр(-£т)/«Т) а>

Для кинетики 1-го порядка сС => I и слабого перезахвата ( =

б3А//бРп > I) А(В) = ехрг~£/^ -ест)) • г»е -се-

чения захвата и рекомбинаций, соответственно} С(Т) *J~<?Xp (S/nT'JdT'' Rm » 2 и сильного перезахвата I)

Af&)= С I+S/CB-^J-C/TJ)"^'0 i J2 - скорость линейного нагрева. Предполагалось, что Za , ¿f0 от у не зависит.

В методе частичной термоочистки (последовательных нагревов -охлаждений) g вычислялись с использованием метода начального

наклона '» a S согласно

S-Св Гг))ехрсе/х Г)

В методе разложения на элементарные составляющие (I) (cL[ » I или 2, Si = const » 1 -/¡m \ ПЯ = 5-10) Si вычислялись по заданным параметрам с учетом особенностей кривых. При изотермическом затухании определялись постоянные затухания для оС =1 • и </. = 2 из уравнений типа (I), а также вычислялись S .

На примерах расчетов параметров центров и из сравнения информативных возможностей различных методик следует, что наиболее корректные результаты получены для фракционного режима нагрева. Основы метода модуляционной спектроскопии были разработаны Совгесht И; Hoffman 5). I Тале И,А. и развивались Гурдзиелс П.Я., Галановым Ю.И., Применен пилообразный нагрев: приращение от цикла к циклу 2-4 К; амплитуда цикла 10-20 К; эффективная скорость нагрева 0.01 - 0,05 К/с», fl =0.1 К/с. Для. расчета £ использован метод начального наклона, S рассчитывалась по формуле близкой к (2), а функции распределения согласно

KI{6) (S) = 1Г6)/Ы&хге) М Т) (3)

Электрическая проводимость и токи ТОТ, ТДТ, ТДД изыеря -лись контактным способом по 2-х и 3-х электродной схеме при постоянном напряжении ($500 В) с помощь» электрометра B7-3Q; нижний предел измерения токов ~ 5хЮ"15А. Интегральная ТСЛ измерялась с помощью ФЭУ-71. работающим в токовом режиме. Облучение рентгеновскими лучами проводилось на аппарате УРС-55 (3-55 кэВ, 10-30mА).

Знак носителей заряда определялся по температурным зависимостям ТДТ в материале с искусственно созданным по толщине градиентом концентрации с помочью мягкого рентгеновского излучения и ТДЯ с виртуальными электродами после одновременного возбукде-

ния с поляризацией во внешнем электростатическом поле. Эти метода дали близкие результаты (рисЛа).

Спектры ТСЛ и рентгенолхыинесценции РЛ измерялись с помощью ионохроыатора СФ-4А, ФЭУ-78. Спектры диффузного отражения измерялись на СФ-18 (400-750 ны) и'на СПЕК0РД-40М (200-1000 нм). Спектры фотолюминесценции, возбуждаемой азотным лазером (337 нм) записывались в УПИ (Екатеринбург), а экегшмерным ХеСI лазером (308 нм) в СФТИ (Томен), Спектры люминесценции с целью определения глубоких уровней детализованы разложением"их на элементарные Гауссовы составляющие.

В третьей главе рассмотрены результаты исследования локальных уровней в запрещенной зоне В к/ , определено их влияние' на диэлектрические и люминесцентные свойства керамики; обсуждается природа дефектов. Наиболее полно решить поставленные задачи удалось на ПНБ, ПНБв и 1ШБПЛ .

На фоне непрерывных распределений ловушек по энергиям выделены "полочки" с небольшими значениями Т% близкие по температурам пикам ТСЛ и ТСП (рисЛ), "то есть локальные уровни. Численное моделирование фракционного отжига показало, что для удовлетворительного описания $ (Т) и /7(£) достаточно 5-10 локальных уровней, опустошаемых по кинетике оС = I.

В ПНБ и ПНБпл выделены три основные группы неглубоких уровней 0.5 - 0.7. эВ (300-400 К), 0.8 - 1.0 эВ (400-500 К) и 1.1 - 1.3 оВ (550-650 К). Степени заселенности уровней К/Л/ оценивались по величинам £ по выражению:

в ~ (&рП/б-3А/) ¿о (4)

в предположениях Бо = ТО^с-* (обычно используемые в расчетах величины ЮП - 10^ с"Ъ и = I. Оцененные величины

/7/А/ распределены в широком диапазоне 10 - 10"^ .

Корреляции интенсивностей ТСЛ и 6 , а ^анле Вг и £е, и , Г?т и /?$-(£) являются прямив следствием электронно-дырочного механизма переноса. Несовпадение характеристик ТСЛ и ТСП происходит от различий этих процессов; связь между ними можно выразить в виде:

Ее = £л + ак-Т} /Ze.-fij.j4 г

где_д2~7"а ; - подвижность, Т - время жизни неравновесных носителей заряда.

Ш Те У, Я

Рис Л. Результаты термоактивационной спектроскопии ПНБ: а - термодиффузионные токи I и токи ТДП 2,3 с. "шртуальными" анодом и катодом, соответственно; в-с{- данные фракционного отжига; с - интенсивности ТСЛ X и тока ТСП , как функции максимально» температуры цикла; с - функции распределения ловушек по ТСЛ /г^ - I и по ТСП - 2; (I - энергии активации ТСЛ - I, ТСП' - 2 и частотные факторы ТСЛ - 3 и ТСП - 4.

Кинетика опустошения уровней промежуточная (1<о6<2); ло-' вушки диспергированы по £ и по £ . Низкие значения /? /Л/ и их уменьшение в пределах одной группы уровней с температурой указывают на присутствие прыжкового механизма переноса и интенсивных дезактивирующих процессов - перезахвата, температурного тушения ТСЛ, туннелирования.

Спектры люминесценции имеют вид широких полос (рис.2). Разложением исходных спектров ПНБ и ПНБпл с последующей группировкой выделены основные центры рекомбинации: 2.0, 2.6, 3.0 и 3.6 эВ (ПНБ); 2.3, 2.75, 3.2 и 3.6 эВ (1ЖБПЛ); эти уровни использованы при составлении схема переходов. Близкие по энергиям локальные уровни выделены и в спектрах поглощения (2.65, 3.3 и 3.85 эВ), построенных по спектрам диффузионного отражения.

Высокая яркость и слабые температурные зависимости люминесценции керамики на основе и ПНВ^, ПНВ^ позволяют рекомендовать их в качестве высокотемпературных рентгенолюминофоров.

Энергетические и кинетические характеристики неглубоких уровней, а также спектры и заселенности глубоких уровней различаются и зависят от особенностей строения и дефектности ПНБ, т.е. от технологии получения.

Согласно измерениям знака преобладающих носителей по Тд. и ТДП в ПНБ и ПНБпл реализуется проводимость П - к р -типа • (рис.1), В большинстве ПНБ и ПНБпл в приграфитовой части преобладает р -тип, б комплиментарной - иногда /г. -тип; в ЛНВц доминирует П -тип; в некоторых ПНБ и ПНБпл преобладает р> -тип. Знак носителей сохраняется в широком диапазоне температур (до ~1300 К). Пики ТДТ (ТДП) близки к пикам ТСЛ и ТСП, что позволило определить положение неглубоких'(< 1.3 эВ) уровней относительно дна зоны проводимости £с и потолка валентной зоны (рис. 3). Положения уровней рекомбинации относительно осз\/ ^ направления наиболее вероятных переходов определены исходя из превалирующего влияния доноров или акцепторов на люминесценцию, ширины запрещенной зоны =» 5.0 эВ и температурных зависимостей спектров. Наибольший вклад в люминесценцию ПНБ вносят относительно мелкие уровни £с -(0.7 - 1.0), £^+(0.5 - 1.0) эВ, а проводимость определяется более глубокими уровнями. В ПНБпл наибольшее влияние на проводимость и люминесценцию оказывают глубокие уровни £с -(1.1 - 1.3), Су+а.О - 1.3) эВ.

Идентификация природы дефектов начата с рассмотрения всех

-К-

е/пыеа

№

Ш

- / 3 \

- мЧ

" в 1 Л

II 1 1.1 1.1 ,1.1! км 1.1Л 1.и .1.1 и м 1.!.

Рис.2. Спектра РЛ -1,2» 1СЛ - 3,4; ПНЕ^ - 1,3 и ПН%-2,4

2,0 М

£,зЗ

3

' 2 {

а

1

ь-гя

—I

3

Зома •

г

П к)

¿У*2,6

г'

а?

ъ . .&

¿о '3,0

■ЕЛ

Залм/пная зама

Рис.3. Схема уровне* и переходов в ПНБ ( П. - и р> -типа). Стрелками показаны электронные перехода

возможных атомных дефектов в В Л/ и оценки их энергетических состояний. Анализ наших результатов, результатов работ, проводимых в лаборатории НИИ Ш, а также анализ литературы позволили.выявить природу наиболее значимых дефектов в &АЛ Показано, что в Л 1 ■ а Е -¿ЗА/ примесь углерода играет определяющую роль в гас образовании, однако концентрацию углерода в В Л/ невозможно точно измерить. Определение природы образующих уровни дефектов в ПНБ и ПНБпл основано на расположении уровней в запрещенной зоне, присутствии в материале идентифицированных с поыоадю ЭПР центров, данных расчета точечных дефектов , I С (рзо.4) и предложенной другими авторами трактовке. Мелкие донорныэ уровни отнесены к одноборноыу и двуборноыу центрам, которые реализуются, вероятнее всего, вблизи межкристаллитных границ (ряс.4в). Трехборныэ центры ТЩ образует и доиорнка и акцепторные уровни: прямееккй ТЩ £с -(1.0 - 1,2) зВ, £у+(0,7 - 1,0) зВ; беспримесный (пли - £с-(1.1 - 1.3) эВ,£у+а.О - 1.2) эЗ (таблица I).

Таблица I,

Идентификация биографических дгфектоз э ПНБ

пп Состав ¡Сокр. |Чис~ обозн.| ло урэ- } |вней Уровня

ТАС Излучение Поглощение

I. 2В !ТЩ | 2 {беспр,{ £С-(1.Г-1.3) £) v +3.6 £С-3~85

2. зв | ТЩ | 3 | прим. | I I ! 1 £с-(1.0-1.2) £у+(0.7-1.0) 43.6 ес -з.о (&у+г.о) £^+3.85 6с-3.3 £с-3.85

3. \/л,-В } ОБЦ | 2 1 ! I 1 £с-(0.4-0.8) € С -2.0 £у+3.3

4. С-Л/а/ -23 (слабо-! 3 каязанЦ [гий С }• £с-(1.1-1.3) £^(1.0-1.2)" +2.6 Ее"3-6 £у+3.85 £, ^+2.65 €с-3.85

5. С...С 5интерк{ I |соед. | - Ее -2.6 <£*+2.6) £=-2,65 (£у+2.65)

6. \Zv~Vi-C кжзак. 1 3 ртабял^ 1 С ! £,.-(1.0-1.3) £,+<0.7-1.2) V -ьЗ.б -2.6 £с -3.6 ^+3.85 £с -2.65

&

1

Рис.4. Дефекты к примеси в ПНБ ( О - бор, © - азот, ® - углерод): а,б - объемные дефекты; а - I - междоузельные атомы С (соединения), 2.- ( у^ -С), 3 - ( -С); б - 4 - - С), 5 - ( - С - \>ы ); в - дефекты

внутри кристаллита в плоскости 11 вблизи ШГ. , .

Внутрикристаллитныа и грагачныв дефекта Ve и ( Va -CI-3W-C) являются неглубокими акцепторами £v+(0.5 - 1,0) зВ. Уровня £ с -( S^+XI.O - 1,3) эВ могут быть связаны такие с диваканси-онннми комплексами (рис.46).

Глубокие донорнне и акцепторные уров+3.6(3.85) эВ образованы перечисленными ваканснонщшн и примесно-ввкансионньши дефектами (таблица I). Уровень £с -3.0(3.3) эВ связан с примесным ТЩ или с дефектом замощения Сд а образует полоса 2.0 и 3.0(3.3) эВ.

Уровни Sc -2.6, £v +2.6 эВ, интенсивно проявляющиеся в излучении, соответствуют примеси С в виде отдельных аеасдоузель-ных атомов или в слабосвязанном состоянии в комплексе С-*-Vas (ряс.4). В h - и 1 -ВА/ возможно образование иктеркалирован-ных соединений примесей (дополнительных подзон), алитадас на электроперенос и оптические свойства материала. Уровни +2.6 зВ (излучение) и +2.65 зВ (поглощение) можно связать о интеркалиро-ванными соединения?® углерода в Bfif (рас.4а),

Уровни 8 с -2.0(^^+3.0) зЗ образованы одноборти центром. Приграничные дефекты и примеси образуют непрерывный фон поглощения, уширяют уровни, ухудшают разреаеше ЭПР и обуславливают температурное и концентрационное тусение лзминесценциц.

Кубический В А/ исследован в меньшем объеме - слабая яркость люминесценции не позволила определить глубокие уровни, а относительно высокая проводимость (6 > 10"^ О-Г^си"^) определить знак по ТДТ. В ПНБ/^ знак носителей не определен из-за пироэффекта ( Кл/Ксм^ 20-350°С). Спектры и распреде-

ления неглубоких уровней в z -ЗА/ близо либо к ПНБ, лкбо к ПНБпл . Анализ данных TAC показал на образование в результате k, "Z Z переходов дополнительных дефектов . Корреляция характеристик ТСЛ и ГСП частично нарушается, по-видкаоыу, вследствие повышения вклада прьакового переноса. Строение 1Е-ВА/ оказывает значительное влияние на , 2 и характеристик!! уровней.

В четвертой главе приведены изменения электронной структуры запрещенной зоны ВЫ при облучения быстрыми нейтронами (Ф» Ю^ - Ю*3, см"2) и нейтронами реакторного спектра (Ф= Ю*7 -10 , см-2) и ее восстановление при термическом откиге (TQ =400 - 2000 К). Эффективность методов TAC и спектральнолюминесцентно-го метода в облученном ПНБ уменьшается вследствие взаимодействия

нвведенных дефектов высокой концентрации и их влияния на биографические дефекты.

~ Облучение создает радиационные центра, определяющие знак ТДТ. В зависимости от вида нейтронов обнаружены центры акцепторного и доиорного типов;после облучения нейтронами реакторного спектра и быстрыми нейтронами <Ф ^ 10*8см~^ и Т0 > 900 К) наблюдалась инверсия знака носителей. Концентрация глубоких центров < в ^Г.бзВ)/^7(и, по-видимому, сечение захвата) значительно превышает концентрации (сечения) мелких радиационных (0.1-

0.7) эВ и Mr,г биографических (0.5 - 1.0)эВ центров. Глубокие радиационные центры компенсируют мелкие и за счет перезахватов обуславливает . юс низкую степень заселенности ( п/Л/' « 10"^ -10"®). Отжиг наведенных неглубоких уровней, восстановление характеристик уров::зй и знака носителей имеет сложный многоступенчатый характер.

По спектрам диффузного отражения выделены три основные группы цантров окраски 2.0, £.5 и 2.85 эВ. Кинетики накопления и отжига этих центров различны и имеют сложный характер; отжиг центров происходит неравномерно по температуре. Скорости накопления центров Af'/P ограничены; при высоких $ > Ю^сы-^ наблюдается насвдение //"($) и участки уменьшения л/' (Ф) после отжига.

Подобие кривых ТСЛ и ТДТ и корреляция характеристик TCJI и ТСП указывают на. присутствие зонной люминесценции и электронно-дырочной активационной проводимости и в облученном ПНБ, Вклад прыжковой проводимости в ПНБ Л , судя по данным TAC, выше. На основании данных термоактивационной и оптической спектроскопии и Еаа 5.0 эВ построена схема уровней (подзон) и электронных переходов в ПНБ п • Сопоставление неглубоких и глубоких (€ > 1.5 еВ) уровней позволило определить тип (донорный или акцепторный) уровней поглощзния9 i.e. направления превалирующих переходов в зависимости от вида нейтронов и распределения центров t по толщине.

В процессе отжига концентрации наведенных уровней уменьшаются j вследствие чего восстанавливается характерная для В А/ структура запрещенной зоны; выделяется несколько интервалов перестройки уровней (300-1200 К,1200-1500 К, 1500-2000 К). Наибольшей устойчивостью к термическому и локальному отжигу (тепловыми нейтронами) обладают центры с £ «2.85 эВ/ При TQ =2000 К

к

остаются дополнителыгно наведенные уровни, значительно вшшяйо на проводимость н лшинесцеях^зз.

Определение природа наведенных уровней основано на сопоставлении данных термоактивацясжной, оптической н ЭПР спектроскопии; на представлениях о природе биографических уровней я на расчетах простейших дефектов. Мелкие донорные и акцепторное уровни связаны с наименее устойчивыми к отлягу ыногогаяанскснкшд! комплексами-кластерами вакансий и радикальными парами} неэквивалентность состаяляпщих их одно-и двухборнихС-азотных) центров обуславливает широкий спектр и низкие п/А/ * эти когшлекса образуют также донорные £с -2.15 эВ и акцепторные +2.15 эВ уровни. Одноборныз и двухборные центра (рис.4) образу»? неглубокие донорные 6с -(0.5-1,0) зВ и акцепторные £у +(0,5-1.0) эЗ уровни; двухазотные центра образуют только акцепторшэ уровни ( 6 < 1.0 эВ)$ одноазотнко центры образувт уровни £у+(1,0 -1.2) эВ, Двухазотный центр имеет уровень £у+2.5 оВ. Радиационный трзхборный центр приыосного и беспримесного типа имеет неглубокие уровни, близкие уровням биографического ТЩ5 и глубокий уровень Са -2.85 эВ. Вклад и неглубокие (1,0-1.3) зВ п глубокие +3.6(3,85) эВ уровни вносят тэгисо дявглакслонкга комплексы, подобные биографически, Концентрация; дяваканслЯ и одновакансионннх центров в отожженном ПНБп (Т0 я 2000 К) акяэ, чем в ПНБ. Биографически а дефекты необратимо разругаются а пользу радиационных; этот процесс зависит от <р а зада нейтронов» Тем не иенее, восстановление структуры запрещенной зона после отзшга н наевдение (укзкшзяие) N'1 ф я М'(<р) укезызеэт на радиационную стойкость В^/ п пэзпояяат рекомендовать его 0 начзвТЕЭ радоацконио-сгойкого дяэлектрдпз,

внвода

Г. Разработан канпяэас натрадлтренназ иетодше: скихронпого измерения тармостаыулированной лвыкнесцендаи я токов тсрггостп-мулироаанкой проводимости! измерения тока тараодеполярлзагса для определения природа носителей заряда; спсктрсп вогдозеняя и люминесценции а слабопроводязнх диэлектриках, Нотодгпгя позволили исследовать элегтроннуэ структуру запрещенной зоны зисозо-диспарсной непрозрачной кктрздной керааппа я корректно опродо-

,лить энергетические и кинетические характеристики локальных уровней, созданных биографическими и радиационными дефектами. Оценено влияние отдельных уровней на электроперенос и люминесценцию керамики на основе нитридов бора и алюминия.

2. В ВЫ в диапазоне Т « 300-700 К превалирует актива-ционная электронно-дырочная проводимость с п -и р -компонентами пэр^носа. Меньший вклад в проводимость вносит прыжковый элекогроперенос, причем в 1 -и г -ВА/ этот вклад выше. ТСЛ и ТСП ВЫ определяются тремя основными группами сравнительно неглубоких (0.7 - 1,3 эВ) уровней, опустошаемых по кинетике промежуточного порядка.

3. Спектры люминесценции ВЫ определяются четырьмя группами глубоких уровней рекомбинации, которым соответствуют локальные полосы поглощения.

4. Составлены схемы локальны« уровней и электронных переходов в запрещенной зоне Л -и г -ВА/, установлено превалирующее влияние доноров и акцепторов на люминесценцию и элехтроперенос.

б. Энергии уровней и их концентрации (заселенности) определяются видом атомных дефектов, строением керамики и тилоа решетки В// и зависят от технологии изготовления, небольшие вариации которой приводят к значительны:.! изменениям электронной структуры. Исследование электронной структуры керамики позволяет прогнозировать её люминесцентные и диэлектрические свойства.

6. Предложена 1 классификация дефектов вА/. Выявленные уровни образованы расположенными в кристаллитах и по их границам одновакансионныыи и дивакансионными примесными и беспримесными дефектами; -содержащими - акцепторные уровни; Ул/ -содержащими - донорные и акцепторные уровни. При повышении концентрации примеси углерода дефекты проявляют преимущественно акцепторные свойства, Ие&доузелъные атомц и штеркалированные соединения углерода образуют глубокие уровни и влияют на зарядовые состояния ванансионных дефектов. Приграничные дефекты и примеси уширяют энергетические распределения центров, образуя непрерывное распределение, и обусловливают температурное и концентрационное тушение люминесценции. " ';

7. Облучение нейтронами существенно изменяет электронную структуру £Л/ и соответственно его диэлектрические и оптические свойства. Глубокие уровни > 2,0 эБ, проявляющиеся в поглощении, оказывают превалирующее влияние на знак носителей и термоактива-

ционные характеристики'неглубоких уровней навэденних и биогра-' фических дефектов, Вшэлены осиовгага группы наведенных дефектов, различающиеся парамагнитными, термоактивадаонными и оптическими свойствами, а такие кинетика«« их накопления и отжига. Многова-кансионныэ комплексы наименее устойчивы к тзркичзскому отжигу -они превращаются в устойчивые одно-и дивакансиогагае дефекта. Составлены схемы уровней» тергмактивадаоннше я оптических переходов, прослежена постепенная трансформация этих схем'при термо-отаиге Т0 я 400-2000 К. Огяиг при 2000 К практически восстанавливает все характерные для необлученного В А/ свойства, хотя концентрации наведенных дефектов в облучсгшо-отояаеннси материале выше.а их окружение отличается от биографических. Невасокая скорость дефзктообразования и восстановление свойств посла отжига позволяют рекомендовать керамический 8А/ з качества равиз-ционностойкого диэлектрика*

8. В облученной 8А/ поля преткозого нехвнизаа переноса выше; переход от . примсового Vактйвационнону механизму происходит при Т > 500 К.

9, ПредлоЕено использование роыбоэдрггчаского пиронктрзда бора в качестве высокотемпературного пироэлактрика, обладоэдого высоким отрокоэффициентоа ( ~ Кл/k сы^). Високол яркость и слабые температурные зависимости люминесценции керамически: В А/ и А 6А/ позволяют рекомендовать их в качэствэ люминесцентных и сцинтиляционных дозшетроз для регистрации аозных пучноэ рентгеновских и jf -квантов.

Основнна результаты диссертационной работа излозены в а о -яушвх публикациях.

1. Радиационные зффзкты в поликрястаялическом нитриде бора/ Г.А.Дергаяева, В.Конусов, 3.В.Лопатин и др.//1У Всесоюзное совещание. Воздействие ионизирующего излучения и света на гетерогенные системы. Кемэро'во, ишь 4-7, I9S5. - ч.П, Кемерово, IS83. - С.2Г-22. '

2. Галанов D.H., Конусов Ф.В, Центра захвата и рекомбинации в пиронитриде бора//УП Всесоюзная конференция по физике диэлектриков, Томск, ноябрь 1968. - секция 2. Процессы эяектроперзноса

я накопления заряда э диэлектриках, 1988. С. 44-45,

3. Галанов Ю.Й., Конусов Е.В.» Лопатин В.В, Центры заавата ! рекомбинации в пиронитриде бора//Йэз.ВУЗов.Физика, - 1989. -

P II. - С.72-76.

4. Lopaíln W., Qaéanov Yv.Z, Konus о V T¿e e//£c¿ о/ &?eTQé¿íc jtaies ef SM «яг ccrpdvctíon

//Рге?с. 3tc¿ Irrt. Cor?/, en Co/7c/¿sct¿os7 ¿W ßtea/fc/ovos? ¿n SoiLd Sieiectxics, 7%orrc¿he¿m, Abzway, Pufy3-6, SS83:-f?f33-W.

5. Конусов Ф.В., Локальные состояния в запрещенной зоне нитрида бора/Редкол.журн. "Изв.ВУЗов»Физика". - Томск, 1989. -33 е.: ил. - Библиогр.: 27 назв. - Деп. в ВИНИТИ 24.04.90,

» 2I52-B90.

6. A.c. 1579240, М.Ки4 Q 01 Т 1/29, Q 01 Т 1/10 Устройство для визуализации пучков рентгеновских и g- -квантов/ Галанов D.H., Конусов Ф.В., Лопатин В.В. (СССР). - 1? 4387916; Заявлено 9.09.88; Опубл. 15.03.90.

7. Queens Yu.Z, kbausovtV., ¿opotca V.Y. The. Effect of

Loca£ denizes on Conduction or/d Luminescence of Bozo л A/itzufe/fOcyst. fies. TechnoP.-í$9G-Ve¿M-fím5-f5V6.

8. Охжиговые изменения дефектов и диэлектрических свойств в облученном нейтронами нитриде бора/ А.В.Кабышев, Ф.В.Конусов,

B.В.Лопатан, Ю.П.Суров// У Всесоюзное совещание. Радиационные гетерогенные процессы, Кемерово, май 28-31, 1990. - чЛ, Кемерово, 1990. - G.I39.

9. L opa-íLn i/ Y-, Лол ¿/so y The Snezpetic Slates

. in -¿Á£ ßo%on A/lízide 8onc¿ Gop//ZPbys.CAem. So¿~ 199¿. - Voe, S3, Мб. -р. 8У7-85Ч.

10. Лопатин B,B., Конусов 5.E. Исследование дефектов в В/У после нейтронного облучения методами термоактивационной спектроскопа«// П Ыехэтраслевое совещание. Радиационная физика твердого тола, Севастополь, кинь 1-6, 1992. - Севастополь, 1992. -

C.66-&7.