WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ШАПОЧКИН Григорий Михайлович СПЕКТРОСКОПИЯ ФТОРИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ И НАНОКЕРАМИК, АКТИВИРОВАННЫХ ЦЕРИЕМ, С ПРИМЕНЕНИЕМ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Специальность 01.04.05 – оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре оптики и спектроскопии физического факультета Московского государственного университета имени М.В.

Ломоносова

Научный консультант: доктор физико-математических наук профессор Михайлин Виталий Васильевич Официальные доктор физико-математических наук оппоненты: Махов Владимир Николаевич (ФИАН) кандидат физико-математических наук Рыбалтовский Алексей Ольгердович (НИИЯФ МГУ)

Ведущая организация: Институт общей физики имени А.М. Прохорова РАН, г. Москва

Защита состоится 17 июня 2009 года в 15 час. 00 мин. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 501.001.45 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: Россия, 119991, г. Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19 корпус, ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке НИИЯФ МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан _ мая 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 501.001.45 при МГУ имени М.В. Ломоносова кандидат физико-математических наук Вохник О.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы В настоящее время значительный практический и научный интерес вызывают поиск и разработка новых эффективных сцинтилляторов и активных сред лазеров для коротковолновой области спектра. Создание сцинтилляторов, активных сред твердотельных лазеров на основе широкозонных диэлектрических кристаллов и оптимизация их характеристик невозможны без понимания зонной структуры, природы центров свечения и механизмов передачи поглощенной энергии центрам свечения. Для изучения механизмов преобразования высокоэнергетических возбуждений в люминесценцию необходимо тщательное исследование оптических свойств кристаллов в области вакуумного ультрафиолета. Наиболее эффективным и удобным источником излучения для исследований в ультрафиолетовой (УФ) области спектра и области вакуумного ультрафиолета (ВУФ) является синхротронное излучение (СИ), имеющее в данной области интенсивный непрерывный спектр излучения, высокую степень линейной поляризации и временную структуру в наносекундном диапазоне.

Фторидные кристаллы являются перспективными материалами для использования в качестве активных сред твердотельных лазеров. Помимо этого, широкозонные фторидные матрицы, активированные ионами редкоземельных элементов, используются в качестве модельных систем для изучения уровней энергии редкоземельных ионов, с помощью техники вакуумной спектроскопии. В частности особый интерес представляет активация фторидных матриц ионом Се3+. Межконфигурационные 5d4f переходы иона Се3+, которые являются разрешенными по четности, обеспечивают эффективную люминесценцию в УФ области спектра в диапазоне 290450 нм. Люминесценция иона Се3+ характеризуется временами высвечивания 2540 нс, что делает данные материалы пригодными для использования в качестве быстрых сцинтилляторов.

Физическими основаниями в пользу использования фторидных материалов в современной фотонике являются следующие утверждения:

1. прозрачность в широкой спектральной области 1121300 нм;

2. легкость введения в состав фторидов значительных (вплоть до 1021 см-3) концентраций активных редкоземельных ионов;

3. высокая теплопроводность фторидов;

4. лучшие механические свойства и высокая влагостойкость по сравнению с хлоридами и халькогенидами, обладающими широким окном пропускания.

Благодаря перечисленным преимуществам фториды, в основном в виде монокристаллов, успешно применяются для изготовления активных и пассивных элементов лазерных систем для медицины, экологии, информатики, в частности - элементов уникальных перестраиваемых лазеров. Основным недостатком кристаллов фторидов, препятствующим их более широкому использованию, является ярко выраженная спайность фторидных кристаллов. Чем чище и совершеннее кристалл, тем ниже у него механическая стойкость. Другим недостатком является трудность получения многих фторидов сложного состава в виде оптически однородных кристаллов.

Разработка и получение элементов на основе фторидов для современных фотонных устройств, обладающих высокой радиационной стойкостью и повышенной оптической однородностью, обуславливает пути создания технологии оптической фторидной нанокерамики. Разработка оптической нанокерамики является одной из наиболее серьезных инноваций последних лет в области сцинтилляторов и лазерных материалов. Оптическая нанокерамика обладает рядом преимуществ, по сравнению с монокристаллами, а именно:

1. возможность изготовления элементов больших размеров;

2. улучшенные механические свойства;

3. возможность введения больших концентраций ионовактиваторов, при их равномерном распределении;

4. возможность получения оптических сред для составов, которые трудно или невозможно приготовить в виде монокристаллов (например, Y2O3).

Анализ развития тенденций современной фотоники показывает, что прогресс в этой области будет связан с разработкой устройств на основе фторидных материалов. Основаниями для этого являются фундаментальные свойства фторидов. Задача исследования спектральнолюминесцентных свойств фторидных кристаллов и нанокерамик, их зонной структуры, с применением синхротронного излучения, является весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является изучение спектральнолюминесцентных свойств монокристаллов Na0.4Lu0.6F2.2, Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+, а также фторидных керамик CaF2, BaF2 и BaF2:Ce3+ с применением синхротронного излучения.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Создание лабораторной экспериментальной установки по УФ/ВУФ - спектроскопии твердого тела.

2. Экспериментальное измерение границ прозрачности исследуемых образцов с помощью лабораторной экспериментальной установки, созданной в рамках данной работы.

3. Экспериментальное изучение спектрально-люминесцентных характеристик монокристаллов Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+ ( Ce = 0.05, 2,5, 20мол.% ). Схема3+ 3+ тическое построение зонной модели монокристалла Na0.4Lu0.6F2.2:Ce.

4. Экспериментальное изучение спектрально- люминесцентных характеристик фторидных нанокерамик CaF2, BaF2, а также сцинтилляционной нанокерамики BaF2:Ce3+. Определение оптимальной концентрации иона Се3+ в BaF2:Ce3+, которая обеспечивает максимальную интенсивность люминесценции иона Се3+.

5. Сравнение спектрально-люминесцентных свойств нанокерамик с монокристаллами того же состава. Оценка влияния эффекта диффузного отражения на спектрально-люминесцентные свойства нанокерамик.

Практическая ценность работы Исследованные монокристаллы и фторидные нанокерамики обладают спектрально-люминесцентными свойствами, позволяющими использовать данные материалы в УФ/ВУФ-областях спектра, изготавливать на их основе оптические элементы, люминофоры, активные среды лазеров. Фторидная нанокерамика обладает рядом улучшенных спектральнолюминесцентных и физических свойств, что позволяет рекомендовать использовать ее в коротковолновой области спектра вместо монокристаллов.

В частности, интенсивность цериевой люминесценции сцинтилляционной нанокерамики BaF2:Ce3+ в два раза превышает интенсивность люминесценции монокристалла того же состава.

Научная новизна Впервые исследован полный комплекс спектральнолюминесцентных свойств серии монокристаллов Na0.4Lu0.6F2.2, чистой матрицы и активированной ионом Се3+ в широком диапазоне температур (от 10 до 300 К), при возбуждении синхротронным излучением. Проанализированы спектры люминесценции и временные характеристики свечения иона Се3+. Произведена оценка величины коротковолновой границы прозрачности кристалла. По экспериментально измеренным спектрам отражения и возбуждения люминесценции проанализированы зонные параметры матрицы и определена ширина запрещенной зоны Eg 11.5 эВ. Результаты экспериментов позволили оценить энергетические положения 4f14(1S0) и 4f135d уровней иона Lu3+ и основного 4f уровня Се3+ относительно зон матрицы. Построена зонная модель кристалла Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+. В результате измерения спектров пропускания активированных образцов, рассчитаны силы осцилляторов для экспериментально наблюдаемых 4f5d полос поглощения иона Се3+. Показано, что данный монокристалл является пригодным для использования в коротковолновой области спектра.

Впервые в УФ/ВУФ - области спектра в широком диапазоне температур (от 10 до 300 К), при возбуждении синхротронным излучением, были экспериментально изучены образцы искусственных фторидных нанокерамик CaF2, BaF2 и BaF2:Ce3+, а так же образец природной оптической керамики CaF2 Суранского месторождения (Южный Урал). В результате экспериментов для каждого образца произведен расчет интегрального выхода люминесценции, определены зонные параметры, величина запрещенной зоны, а так же граница прозрачности.

Впервые произведено сравнение спектрально-люминесцентных свойств образцов нанокерамик СaF2 и BaF2 с аналогичными свойствами монокристаллов. Проанализировано влияние зернистой структуры нанокерамики на спектрально-люминесцентные свойства, и впервые дано теоретическое обоснование повышения интенсивности цериевой люминесценции керамики по сравнению с монокристаллом.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Создана и полностью автоматизирована лабораторная экспериментальная установка по УФ/ВУФ – спектроскопии твердого тела.

2. Построена зонная модель монокристалла Na0.4Lu0.6F2.2:Ce3+.

Произведена оценка энергетических положений 4f14(1S0) и 4f135d уровней иона Lu3+ и основного 4f уровня иона Се3+ относительно зон матрицы. Построена энергетическая диаграмма 5d4f переходов иона Се3+ в матрице Na0.4Lu0.6F2.2.

3. Сцинтилляционная фторидная нанокерамика BaF2:Ce3+ обладает быстрой и эффективной люминесценцией иона Се3+, с временем затухания ~30 нс. Время затухания кросслюминесценции в керамике BaF2 составляет ~0.8 нс. В области прозрачности матрицы зернистая структура нанокерамики приводит к проявлению эффекта диффузного отражения, которое может быть описано с помощью теории Кубелки-Мунка. Двукратное увеличение интенсивности люминесценции керамического образца BaF2:Ce3+, в сравнении с монокристаллом того же состава, может быть следствием проявления эффекта диффузного отражения. Зонная структура нанокерамик CaF2 и BaF2 остаются неизменными, при сравнении с монокристаллами того же состава.

Достоверность результатов Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается отработанной методикой проведения измерений, а также тщательностью проведения эксперимента, с использованием современной высокочувствительной аппаратуры. Сбор и обработка экспериментальных данных осуществляются с помощью современных компьютерных методов автоматизации эксперимента.

Личный вклад диссертанта Все изложенные в диссертации экспериментальные результаты были получены, обработаны и проанализированы лично автором. Измерения спектров пропускания, а так же части спектров люминесценции проводились на лабораторной экспериментальной установке по спектроскопии твердого тела, созданной лично автором диссертации. Все теоретические программные расчеты были самостоятельно выполнены автором.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, сделаны 2 устных и 1 стендовый доклады на международных конференциях.

Список основных работ приведен в заключительной части автореферата.

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XVII Международная конференция по синхротронному излучению «SR-2008» (г. Новосибирск, 2008); Международный молодежный научный форум «Ломоносов – 2008» (г. Москва, 2008); Международная научная конференция «Ломоносовские чтения – 2009» (г. Москва, 2009).

Работа выполнена при поддержке государственного контракта № 02.513.12.3029 «Нанокерамика на основе соединений с высоким светопропусканием в среднем ИК-диапазоне для когерентных и некогерентных источников излучения».

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитированной литературы (120 наименований). Работа изложена на 146 страницах и включает 67 рисунок и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, формулируется цель работы, обсуждается новизна и практическая ценность полученных результатов, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертации.

Обобщены и систематизированы литературные данные о методе спектроскопии твердого тела с применением синхротронного излучения в ультрафиолетовой области (УФ) спектра и области спектра вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Приведены дисперсионные соотношения Крамерса – Кронига, использование которых является одним из косвенных способов получения диэлектрических констант через коэффициент отражения. Обсуждены факторы, влияющие на формирование квантового выхода люминесценции, а так же процесс переноса энергии электронного возбуждения.

Рассмотрены электронная структура фторидных кристаллов, межконфигурационные 5d4f переходы иона Се3+ в фторидных кристаллах структуры флюорит, фактор влияния кристаллического поля (КП) матрицы Nа0.4Lu0.6F2.2 на спектр 5d4f переходов иона Се3+. Перечислены особенности экспериментальных исследований в УФ/ВУФ областях спектра, необходимые свойства оптических материалов для использования в этом диапазоне, факторы влияющие на прозрачность кристаллов, дан перечень наиболее используемых в настоящее время соединений. Представлены основные физические и спектральные свойства фторидной оптической нанокерамики. Описаны методы приготовления нанокерамики. Детально рассмотрена структура строения нанокерамики, приведены характерные размеры зерен, субзерен и межзеренных границ. Обсуждена перспективность применения данного нового оптического материала в коротковолновой области спектра.

Во второй главе содержится подробное описание экспериментальных установок, на которых проводились измерения и исследуемых объектов. Изложена методика измерений и обработки экспериментальных результатов.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»