Влияние сильных электрических полей на динамику электронных возбуждений в зоне проводимости широкозонных диэлектриков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Введение.

1.2. Процессы ионизации (многофотонная ионизация, туннельная ионизация, ионизация дефектов).

1.3. Процессы нагрева электронов в зоне проводимости.

1.4. Процессы релаксации электронов по энергии (электрон-фононные рассеяния, электрон-электронные рассеяния).

1.5. Захват электронов на заряженные центры.

Глава 2. Релаксация и рекомбинация электронных возбуждений в твердых инертных газах, облучаемых ВУФ квантами.

2.1. Введение.

2.2. Диффузионная модель релаксации электронных возбуждений.

2.3. Начальный этап релаксации.

2.4. Этапы термализации и захвата электронных возбуждений на заряженные центры.

Глава 3. Влияние электрических полей на выход и кинетику люминесценции в диэлектрических кристаллах.

3.1. Влияние электрического поля на элементарный акт захвата электрона на центр.

3.2. Статистика флуктуационных электрических полей.

3.3. Влияние концентрации точечных дефектов и дислокаций на скорость электронно-дырочной рекомбинации.

3.4. Влияние одномерной диффузии во внешнем электрическом поле на кинетику люминесценции.

Глава 4. Нагрев электронов в зоне проводимости широкозонных диэлектриков под действием мощных фемтосекундных лазерных импульсов.

3

4.2. Эксперименты по исследованию фотоэлектронных спектров Сб1 под действием мощных фемтосекундных лазерных импульсов и их обсуждение.93

4.3. Модель прямых межветвевых электронных переходов в зоне проводимости широкозонных диэлектриков.101

4.4. Численное моделирование спектров электронов в зоне проводимости.107

Заключение. 111

Литература.114

Введение

Актуальность работы.

Диэлектрики с широкой запрещенной зоной представляют большой интерес для научных исследований в связи с их широким практическим применением. Эти вещества используются в качестве материалов для люминесцентных ламп, активных сред лазеров, люминесцентных экранов и др. Некоторые кристаллические диэлектрики перспективны для использования в сцинтилляционных детекторах высокоэнергетических частиц. Поиск и создание новых эффективных сцинтилляторов требует глубокого изучения их физических свойств. Изучение фундаментальных процессов, происходящих в широкозонных диэлектриках под действием мощного лазерного излучения, важно для понимания таких явлений, как радиационное образование дефектов и оптический пробой. Изучение этих явлений необходимо, в частности, для повышения радиационной стойкости оптических элементов.

В этой связи, большой интерес представляет собой изучение динамики электронных возбуждений в зоне проводимости широкозонных диэлектриков под действием сильных электрических полей. Такие поля могут быть в случае, когда имеется высокая концентрация дефектов в кристалле, в плотных треках, возникающих после пролета тяжелых ионизирующих частиц, при воздействии интенсивного возбуждения (лазерного, синхротронного и т. д.), в случае зарядки кристалла из-за вылета фотоэлектронов и т. п.

Целью настоящей диссертационной работы явилось:

• Изучение процесса релаксации электронных возбуждений в твердых инертных газах при низких температурах и процесса захвата электронов на заряженные центры при больших интенсивностях возбуждения.

• Оценка степени влияния флуктуационных электрических полей в диэлектрических кристаллах на процесс электронно-дырочной рекомбинации и рекомбинационной люминесценции.

• Изучение механизмов нагрева электронов в зоне проводимости широкозонных диэлектриков под воздействием мощных ультракоротких лазерных импульсов.

Научная новизна работы.

• Построена модель, единым образом описывающая релаксацию и захват фотовозбужденных носителей заряда в диэлектрических кристаллах при больших концентрациях центров захвата, когда радиусы Онсагера отдельных центров перекрываются.

• Исследована зависимость скорости захвата электрона на заряженные центры (дырки) в присутствии сильных флуктуационных полей, порожденных либо случайно распределенными зарядами, либо заряженными дислокациями (в последнем случае с учетом экранирования). Получена интерполяционная формула, описывающая уменьшение радиуса области захвата за счет внешнего электрического поля, позволяющая исследовать влияние различной статистики флуктуационных кулоновских полей на скорость захвата. Модель применима для описания неупорядоченной системы электронных возбуждений, возникающей, в частности, при релаксации высокоэнергетичных возбуждений в кристаллах после возбуждения ионизирующим излучением.

• Изучена кинетика захвата в диффузионном приближении под влиянием внешнего электрического поля (в одномерном случае). Эта модель применима, в частности, к кинетике люминесценции в случае приповерхностного тушения люминесценции во внешнем поле.

• Построена модель нагрева электронов в зоне проводимости диэлектрических кристаллов в сильном лазерном поле в приближении почти свободных электронов с учетом прямых одно- и многофотонных переходов между отдельными ветвями зоны проводимости.

Основные положения, выносимые на защиту.

• В то время как при малых концентрациях центров захвата процесс релаксации фотовозбужденных носителей заряда в диэлектрических кристаллах разбивается на стадии быстрой первичной релаксации (за счет дрейфа по энергии), стадию термализации и стадию захвата, при больших концентрациях центров (если тепловая энергия оказывается порядка флуктуации потенциальной энергии) стадии термализации и захвата перекрываются. В последнем случае скорость захвата нелинейно зависит от концентрации центров и становится пропорциональна концентрации в степени 2/3.

• Скорость электронно-дырочной рекомбинации существенно зависит от внешнего (по отношению к области взаимодействия) электрического поля. С ростом концентрации точечных дефектов и дислокаций растут флуктуационные поля и скорость электронно-дырочной рекомбинации при этом уменьшается. При больших концентрациях дефектов и дислокаций, с ростом концентрации, вероятность рекомбинации падает с дробным показателем степени (-1/3 для точечных дефектов и -1/2 для дислокаций). Учет этой зависимости приводит к принципиально иной функциональной зависимости интенсивности электронно-дырочной рекомбинации, в отличие от случая, когда мы не учитываем влияния флуктуационных полей.

• Внешнее электрическое поле может сильно изменить кинетику рекомбинации в задаче о пространственной диффузии электронов в кристалле с учетом приповерхностных потерь. Кинетика люминесценции и квантовый выход будут в основном определяться величиной и направлением электрического поля и величиной коэффициента диффузии электронов в кристалле. В случае диффузии электронов в ионном кристалле, электрическое поле Е может уже существенно влиять на выход и кинетику люминесценции при Е > 5 х 104 В/м.

• Вероятность прямых одно- и многофотонных переходов между отдельными ветвями зоны проводимости диэлектрических кристаллов может быстро возрастать с ростом интенсивности лазерной волны, при интенсивностях волны в несколько ТВт/см вероятность двух- и трех-фотонных переходов становится сравнимой с вероятностью однофотонных переходов. За счет таких межветвевых переходов возможен быстрый каскадный нагрев электронов в зоне проводимости кристалла.

Структура и объем диссертации.

Структурно диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [45-56]. Благодарности

В заключении я хочу выразить искреннюю благодарность всем, кто сделал возможным написание этой диссертационной работы. Прежде всего, я благодарен моему научному руководителю профессору Андрею Николаевичу Васильеву за предложенную мне тему исследований, а также за постоянную и неоценимую поддержку, помощь и внимание к работе.

Я также благодарен заведующему кафедрой оптики и спектроскопии физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова профессору Виталию Васильевичу Михайлину за поддержку и внимание к работе.

Хотелось бы также выразить искреннюю благодарность Андрею Новомировичу Вельскому за проведение экспериментов, которые стимулировали теоретические исследования, представленные в Главе 4. Кроме того, постоянное обсуждение результатов исследования с Андреем Новомировичем способствовали существенному улучшению Главы 4 диссертации.

Я также благодарен всем сотрудникам лаборатории синхротронного излучения, которые внимательно наблюдали за ходом работы и не отказывали в возможности обсудить полученные результаты. Особенно я благодарен Игорю Николаевичу Шпинькову, Виталию Николаевичу Колобанову, Дмитрию Спасскому, Ирине Александровне Каменских, Валентине Викторовне Стратонович, Наталье Герасимовой.

Заключение

1. Е.М. Conwell. High Field Transport in Semiconductors, vol. 9 of Solid State Physics. New York and London: Academic Press, 1967.

2. V.N. Abakumov and I.N. Yassievich. Cross section for recombination of an electron with a positively charged center in a semiconductor. // Soviet Physics -JETP, 1976, v. 44, p. 345.

3. V.Kisand. Creation of Free Excitons in Solid Krypton Investigated by Time-Resolved Luminescence Spectroscopy. II Dissertation, Universität Hamburg, Hamburg, 2001.

4. M. Kirm, V. Kisand, E. Sombrowsky, B. Steeg, S. Vielhauer, and G. Zimmerer. Prompt and delayed secondary excitations in rare-gas solids. II Low Temperature Physics (to be published).

5. A.H. Васильев, B.B. Михайлин. Введение в спектроскопию диэлектриков II http://opts.phvs.msu.ru/ssst.pdf, Москва: Физический факультет МГУ, 2001, 414 стр.

6. I. Ya. Fugol'. II Adv. Physics, 1978, v. 27, p. 1; 1988, v. 37, p. 1.

7. N. Schwentner, E.E. Koch and J. Jortner. Electronic Excitations in Condensed Rare Gases, Springer Tracts in Modern Physics, v. 107, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1985.

8. V. Saile. // Appl. Optics, 1980, v. 19, p. 4115

9. G. Zimmerer, in Excited State Spectroscopy in Solids, U.M. Grassano and N. Terzi, eds., Amsterdam: North Holland Publishing, 1987, p. 37.

10. D. Varding, I. Reimand and G. Zimmerer. // phys. stat. sol. (b), 1994, v. 185, p. 301.

11. Reimand, E. Gminder, M. Kirm, V. Kisand, B. Steeg, D. Varding and G.

12. Zimmerer. // phys. stat. sol. (b), 1999, v. 214, p. 81. 12.Абакумов B.H., Перель В.И., Яссиевич И.Н., Захват носителей заряда на притягивающие центры в полупроводниках. И ФТП, 1978, т. 12, №1, С.4.

13. Новиков Г.Ф., Яковлев Б. С. Геминалъные электрон-ионные пары, генерированные ионизирующим излучением в неполярных углеводородных стеклах: рекомбинация, поляризация, разделение // Успехи химии, 1994, т. 63, №5, С. 402.

14. Тернов И.М., Михайлин В.В. Синхротронное излучение. Теория и эксперимент. М.: Энергоатомиздат, 1986.

15. Бельский А.Н. Локализация и взаимодействие электронных возбуждений, созданных рентгеновским синхротронным излучением в неорганических сцинтилляторах. // Диссертация д.ф.-м.н., МГУ, Москва, 2000.

16. Ackermann Ch., Brodmann R., Hahn U. et al. // Phys. Stat. Sol. (b), 1976, v. 74, p. 579

17. Elango M.A, Pruulmann J., Zhurakovskii A.P. // Phys. Stat. Sol. (b), 1983, v. 115, p. 39921 .Rogalev A., Goulon J. // Journal de Physique, 1997, v. 7, p. 565

18. Бонч-Бруевич В.JI., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1990

19. Васильев А.Н., Михайлин В.В. Введение в спектроскопию твердого тела. -М.: Изд. МГУ, 1987.

20. Васильев А.Н. Релаксация электронных возбуждений, создаваемых ВУФ и рентгеновскими фотонами в широкозонных диэлектриках. II Диссертация д.ф.-м.н., МГУ, Москва, 1995.

21. P. Agostini, F. Fabre, G. Mainfray, G. Petite and N. K. Rahman // Phys. Rev. Lett., 1979, v. 42, p. 1127.

22. Х. F. Li, A. L'Huillier, M.Ferray, L.A. Lompré, G. Mainfray, and C. Manus, Phys. Rev. A, 1989, v. 39, p. 5751-5761.

23. Келдыш JI.B. Ионизация в поле сильной электромагнитной волны. II ЖЭТФ, 1964, т. 47, с. 1945.

24. В.С.Stuart, M.D. Feit, S. Herman, A.M. Rubenchik, B.W.Shore and M.D. Perry. Nanosecond-to-femtosecond laser-induced breakdown in dielectrics. II Phys. Rev. B, 1996, v. 53, p. 1749.

25. A. Kaiser, B. Rethfeld, M. Vicanek, G. Simon. Microscopic processes in dielectrics under irradiation by subpicosecond laser pulses. II Phys. Rev. B, 2000, v. 61, p. 11437.

26. Ph. Daguzan, S. Guizard, K. Krastev, P. Martin, and G. Petite. Direct observation of multiple photon absorption by free electrons in a wide band-gap insulator under strong laser irradiation. U Phys. Rev. Lett., 1994, v. 77, p. 2352.

27. Ph. Daguzan, S. Guizard, P. Martin, and G. Petite. // J. Opt. Soc. Am. B, 1996, v. 13, p. 138.

28. F. Quéré. // PhD thesis, l'Université Paris VI, Paris, 2000.

29. V. Bagnoud, F. Salin. // Appl. Phys. B, 2000, v. 70, p. S165-S170.

30. G.G. Paulus, W. Nickich, Huale Xu, P. Lambropoulos, and H. Walther. // Phys. Rev. Lett., 1994, v. 72, p. 2851.

31. D.I. Vaisburd, P.A. Polivanov, B.N. Semin. // J. Appl. Spectroscopy, 1995, v. 62, p. 130.

32. F. Quere, S. Guizard, Ph. Martin, G. Petite, H. Merdji, B. Carre, J-F. Hergott, and L.Le Deroff. Hot-electron relaxation in quartz using high-order harmonics. II Phys. Rev B, 2000, v. 61, p. 9883.

33. B.C. Stuart, M.D. Feit, A.M. Rubenchik, B.W. Shore, and M.D.Perry. Laser-Induced Damage in Dielectrics with Nanosecond to Subpicosecond Pulses. II Phys. Rev Lett., 1995, v. 74, p. 2248.

34. S.C. Jones, P. Braunlich, R.T. Casper, Х.-А. Shen, and P. Kelly. // Opt. Eng., 1989, v. 28, p. 1039.

35. В.Ф. Гантмахер, И.Б. Левинсон. Рассеяние носителей тока в металлах и полупроводниках. -М.: Наука, 1984.

36. N.M. Kroll and К.М. Watson. // Phys. Rev. A, 1973, v. 8, p. 804.

37. Яценко Б.Н. Влияние флуктуационных полей в кристаллах на электронно-дырочную рекомбинацию. II Сборник тезисов VII международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2000", секция "Физика", 2000, Москва, с. 84-85.

38. Васильев А.Н., Яценко Б.Н. Влияние флуктуационных полей в кристаллах на рекомбинационную люминесценцию. II Сборник трудов международной научной молодежной школы "0птика-2000", 17-19 октября, 2000, Санкт-Петербург, с. 142-145.

39. Васильев А.Н., Яценко Б.Н. Влияние флуктуационных полей в кристаллах на электронно-дырочную рекомбинацию. // Вестник Московского университета, серия 3. Физика. Астрономия, 2002, №5, с. 35-37.

40. I.A. Kamenskikh, A.N. Vasil'ev and B.N. Yatsenko. Influence of random electric fields on luminescence yield and kinetics of insulators. II Radiat. Eff. Defects Solids, 2002, v. 157, p. 665-669.

41. A.H. Вельский, A.H. Васильев, Б.Н. Яценко, H. Bachau, P. Martin, G. Geoffroy, S. Guizard, G. Petite. Нагрев электронов в зоне проводимости кристалла Csl под действием мощных фемтосекундных лазерных импульсов. II Препринт НИИЯФ МГУ 2003-8/721, 21 стр.

42. А. Lushchik, Е. Feldbach, R. Kink, Ch. Lushchik, M. Kirm, and I. Martinson. Secondary excitons in alkali halide crystals II Phys. Rev. B, 1996, v. 53, p. 5379.

43. A.M. Ratner. Free Atoms and the Simplest Atomic Crystals. // Physics Reports, 1996, v. 269, p. 197.

44. A.B. Kunz and D.J. Mickish. Study of the Electronic Structure and the Optical Properties of the Solid Rare Gases. II Physical Review B, 1973, v. 8, p. 779.

45. N.C. Bacalis, D.A. Papaconstantopoulos, and W.E. Pickett. Systematic Calculations of the Band Structures of the Rare-Gas Crystals Neon, Argon, Krypton, and Xenon. II Physical Review B, 1988, v. 38, p. 6218.

46. Лифшиц E.M., Питаевский Л.П. Физическая кинетика (Серия "Теоретическая физика", томХ). Москва: Наука, 1979.

47. Ильмас Э.Р., Лидья Г.Г., Лущик Ч.Б. Фотонное умножение в кристаллах. II Оптика и спектроскопия, 1965, т. 18, вып. 2, с.465-460.бЗ.Эланго М.А. Элементарные неупругие радиационные процессы. Москва: Наука, 1988.

48. Bebb Н.В. // Phys. Rev. В, 1972, v. 5, p. 4207.

49. Ham F. S. // Sol. St. Phys, 1955, v. 1, p. 1.

50. Seaton M.J. // Mon. Not. R. Astr. Soc., 1958, v. 118, p. 504.

51. Л.В. Келдыш. // ЖЭТФ, 1957, v. 33, p. 994.

52. E.O. Kane. // J. Phys. Chem. Solids, 1957, v. 1, p. 249.

53. Е.О. Kane. // J. Appl. Phys., 1960, v. 12, p. 181.

54. B.C. Stuart, M.D. Feit, S. Herman, A.M. Rubenchik, B.W. Shore, and M.D. Perry. // J. Opt. Soc. Am. B, 1996, v. 13, p. 459.

55. B.C. Stuart, M.D. Feit, A.M. Rubenchik, B.W. Shore, and M.D. Perry. Laser-Induced Damage in Dielectrics with Nanosecond to Subpicosecond Pulses. // Phys. Rev. Lett., 1995, v. 74, p. 2248.

56. E.M. Epshtein. I I Fiz. Tverd. Tela (Leningrad), 1970, v. 11, p. 1787 Sov. Phys. Solid State, 1970, v. 11, p. 2213.

57. J.F. Seely and E.G. Harris. // Phys. Rev. A, 1973, v. 7, p. 1064.

58. M.V. Fischetti, D.J. DiMaria, S.D. Brorson, T.N. Theis, and J.R. Kirtley. // Phys. Rev. B, 1985, v. 31, p. 8124.

59. A.Haug, Theoretische Festkörperphysik I, II. Wien: Fr. Deuticke, 1970.

60. J.M. Ziman. Electrons and Phonons The Theory of Transport Phenomena in Solids, 2nd ed. - Oxford: Clarendon, 1962.

61. L.H. Holway, Jr. and D.W. Fradin. // J. Appl. Phys., 1975, v. 46, p. 279.

62. M. Sparks, D.L. Mills, R. Warren, T. Holstein, A.A. Maradudin, L.J. Sham, E. Loh, Jr., and D.F. King. // Phys. Rev. B, 1981, v. 24, p. 3519.

63. D. Arnold, E. Cartier, and D.J. DiMaria. //Phys. Rev. A, 1992, v. 45, p. 1477.

64. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Теоретическая физика: Учебное пособие для вузов в 10 т. Т. III. Квантовая механика (нерелятивистская теория). -Москва: Наука, 1989.

65. Ausmees A., Elango М., Kikas A., Pruulmann J. Monte-Carlo simulation of electron-phonon scattering in the XUV-induced electron emission of NaCl. II phys. status solidi (b), 1986, v. 137, № 2, p.495.

66. B. Ridley. Quantum Processes in Semiconductors. Oxford: Clarendon, 1993.

67. R. Binder, H.S. Köhler, M. Bonitz, and N. Kwong. // Phys. Rev. B, 1997, v. 55, p. 5110.

68. L.V. Keldysh. // Zh. Eksp. Teor. Fiz., 1960, v. 11, p. 509 Sov. Phys. JETP, 1960, v. 11,369.

69. A. Kaiser. // Diplom thesis, Technische Universität Braunschweig, Braunschweig, 1998.

70. D. Arnold and E. Cartier. // Phys. Rev. В, 1992, v. 46, p. 15102.

71. Алукер Э.Д., Лусис Д.Ю., Чернов С.А. Электронные возбуждения и радиолюминесценция щелочногаллоидных кристаллов. Рига: Зинатне, 1979.

72. Абакумов В.Н, Яссиевич И.Н. // ЖЭТФ, 1976, т. 71, с. 657.

73. Абакумов В.Н, Перель В.И., Яссиевич И.Н. // ЖЭТФ, 1977, т. 72, с. 674.

74. Абакумов В.Н, Крещук Л.Н, Яссиевич И.Н. // ЖЭТФ, 1978, т. 74, с. 1017.

75. A.M. Ratner. Free Atoms and the Simplest Atomic Crystals. Physics Reports, 1996, v. 269, p. 197.

76. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. — М.: Физматгиз, 1963.

77. Лисица B.C. Штарковскоеуширение линий водорода в плазме. II УФН, 1977, т. 122, с. 369.

78. Чандрасекар С. Стохастические проблемы в физике и астрономии. М.: ИЛ, 1947.

79. Бонч-Бруевич В.Л., Звягин И.П., Кайпер Р., Миронов А.Г., Эндерлайн Р., Эссер Б. Электронная теория неупорядоченных полупроводников. М.: Наука, 1981.

80. Антонов-Романовский В.В. Кинетика фотолюминесценции кристаллофосфоров. М.: Наука, 1966.

81. Васильев А.Н., Михайлин В.В., Овчинникова И.В. Влияние "горячего разлета" электронно-дырочных пар на квантовый выход кристаллофосфора с ловушками II Изв. АН СССР. Сер. физ., 1985, т.49, №10, с. 2044.

82. Васильев А.Н., Михайлин В.В., Овчинникова И.В. Влияние электронно-дырочных корреляций на люминесценцию кристаллофосфора с ловушками П Вестн. Моск. ун-та, Сер.З, Физика, Астрономия, 1987, т.28, №3, с. 50.

83. Миронов А.Г. Случайное поле в компенсированных полупроводниках II Доклады Академии Наук, 1994, т. 334, №6, с. 705.