WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1998, том 40, № 4 Создание экситонов и дефектов в кристалле CsI при импульсном электронном облучении © Е.С. Гафиатулина, С.А. Чернов, В.Ю. Яковлев Томский политехнический университет, 634004 Томск, Россия (Поступила в Редакцию 23 сентября 1997 г.) Представлены данные по изучению влияния температуры интервала 80-650 K на спектральнокинетические характеристики люминесценции и переходного поглощения неактивированных кристаллов CsI при облучении импульсными электронными пучками ( E = 0.25 MeV, t1/2 = 15 ns, j = 20 A/cm2).

В структуре коротковолновой части спектров переходного поглощения при T = 80-350 K выявлены особенности, указывающие на то, что ядерная подсистема автолокализованных экситонов (АЛЭ) за время их жизни до излучательной аннигиляции при T 80 K в CsI многократно трансформируется, попеременно занимая двух- и трехгалоидную ионную конфигурации. Установлено, что явления температурного роста выхода радиационных дефектов, F- и H-центров окраски, и тушения УФ-люминесценции в CsI возникают в одной температурной области (выше 350 K) и характеризуются одинаковыми значениями термической активации ( 0.22 eV). Предполагается, что АЛЭ в кристалле CsI могут иметь как центральную, так и нецентральную конфигурации трехгалоидного ионного остова; высокотемпературное свечение кристаллов CsI связывается с излучательной аннигиляцией нецентрального АЛЭ со структурой (I-(I0I-e-)).

Свечение неактивированных кристаллов CsI под дей- постоянной времени s = 1.0 µs. Согласно данным ствием ионизирующих излучений при температурах экспериментальных и теоретических работ [1–5], эти вблизи комнатной характеризуется высокой интенсивно- две полосы следует считать обусловленными излучательстью и малыми временами затухания ( 10 ns), что дела- ной аннигиляцией двухгалоидных АЛЭ со структурой ет эти кристаллы привлекательными для использования (I-e-) из синглетного и триплетного спиновых состо2 в скоростных сцинтилляционных счетчиках. В настоящее яний соответственно.

время свойства быстро затухающей люминесценции иоПри нагревании образцов выше 80 K, как это можно дида цезия изучены достаточно подробно, однако прировидеть из сравнения спектров на рис. 1, максимум высода ответственных за нее центров остается неясной. В [1] коэнергетической полосы смещается в длинноволновую эта люминесценция считается обусловленной взаимообласть, полоса становится более широкой, ее вклад в действием элементарных возбуждений; авторами [2] ее суммарный спектр с ростом температуры увеличивается происхождение связывается с термическим заселением так, что при комнатной температуре спектр оказывается триплетного излучательного состояния двухгалоидных представленным одной широкой неэлементарной полоавтолокализованных экситонов (АЛЭ) с центральной сой с максимумом вблизи 4.1 eV. С дальнейшим ростом (”on-center”) конфигурацией ионного остова. В данной температуры до 450 K форма спектров сохранялась неработе для изучения структуры центров свечения исизменной.

пользована наряду с люминесцентной техника оптикоабсорбционного анализа, позволяющая с наносекундным временным разрешением изучать спектры и кинетику релаксации спектров неустойчивого поглощения, наводимых в кристаллах при облучении импульсными пучками ускоренных электронов ( E = 0.25 MeV, t1/2 = 10 ns, jmax = 103 A/cm2), в интервале значений температуры 80-550 K, энергии фотонов 1.0-6.0eV.

1. Экспериментальные результаты 1) Л ю м и н е с ц е н ц и я. Спектры люминесценции CsI, измеренные в момент окончания импульсов электронного облучения при различных значениях температуры, показаны на рис. 1, a–d кривыми 1.

При 80 K (рис. 1) спектр содержит две полосы примерно равной интенсивности с максимумами вблизи 4.3 и 3.7 eV. Свечение в полосе при 4.3 eV является Рис. 1. Спектры люминесценции кристалла CsI, измеренные в момент окончания действия импульса ускоренных электронов быстро затухающим (f < 10 ns); интенсивность полосы при различных температурах.

при 3.7 eV спадает значительно более инерционно с Создание экситонов и дефектов в кристалле CsI при импульсном электронном облучении вспышек в полосах при 3.6 и 4.3 eV показаны на рис. 2, b кривыми 1 и 2 соответственно.

С дальнейшим ростом температуры интенсивность свечения снижалась монотонно по всему спектру; наиболее крутой (в аррениусовых координатах) участок спада выхода люминесценции приходится на область выше 300 K.

2) П е р е х о д н о е п о г л о щ е н и е.

При измерениях спектров переходного поглощения CsI, результаты которых были опубликованы ранее [6], мы были вынуждены исключить из анализа область спектра с h > 3.0 eV из-за высокой яркости вспышки люминесценции АЛЭ, превышающей по уровню яркость установленной в спектрометре для просвечивания образцов импульсной лампы. Используя более мощный источник зондирующего света, нам удалось продвинуться в более коротковолновую область и обнаружить здесь еще одну интенсивную полосу поглощения с максимумом около 3.4 eV. Общий вид спектров поглощения, измеренных с различной временной задержкой относительно импульса электронного облучения при температурах 80, Рис. 2. Температурные зависимости времени жизни и ин295 и 55 K, показан на рис. 3.

тенсивности люминесценции АЛЭ (a), светосуммы свечения Из этого рисунка можно видеть, что в температурной АЛЭ и оптической плотности в F-полосе поглощения (b) в области 80-300 K, соответствующей значительным изкристалле CsI. a) 1 — время релаксации медленного компоменениям спектрального состава люминесценции АЛЭ, нента свечения при 4.3 eV, 2, 3 — амплитудное значение инструктура спектров поглощения (рис. 3) сохраняется тенсивности люминесценции при 4.3 и 3.6 eV соответственно;

b) 1, 2 — светосумма вспышек медленно затухающего свечения фактически неизменной. Типичным в этой области темпри 4.3 и 3.6 eV соответственно, 3 — интенсивность F-полосы ператур для переходного поглощения оказалось то, что поглощения, зарегистрированной через 500 ns относительно его интенсивность спадала после облучения с одинаконачала импульса облучения.

вой для различных частей спектра скоростью; характеристические времена релаксации оптической плотности при всех значениях температуры из этой области совпадали с временами затухания триплетной люминесценОписанная температурная эволюция спектров сопровождалась возникновением в кинетике релаксации высокоэнергетической полосы при T > 90 K наряду с быстрой медленной стадии. Затухание люминесценции на этой стадии хорошо описывалось экспоненциальной зависимостью интенсивности I от времени I(t) =I0 exp(-t/s) с постоянной времени s, значения которой в области температур 90-200 K совпадали с временем затухания триплетной полосы при 3.6 eV.

Увеличение температуры в этой области приводит, как следует из данных, представленных на рис. 2, a, к одинаковому для обеих полос уменьшению значений s (кривая 1), росту начальной интенсивности медленного компонента в полосе 4.3 eV, ведущему к возрастанию в 3–4 раза интегральной амплитуды вспышки люминесценции (кривая 2 на рис. 2, a), и примерно такому же снижению интенсивности люминесценции в максимуме триплетной полосы при 3.6 eV (кривая 3 на рис. 2, a).

Эти результаты хорошо согласуются с данными, полученными при двухфотонном возбуждении [2], и свидетельствуют, очевидно, о реализации термически активированных переходов между ответственными за полосы Рис. 3. Спектры оптического поглощения кристалла CsI, свечения при 3.6 и 4.3 eV состояниями АЛЭ. Хаизмеренные в момент (1) и через 500 ns после окончания (2) рактеризующие перераспределение заселенностей двух импульса ускоренных электронов длительностью 15 ns. Стрелэтих состояний температурные зависимости светосуммы ками отмечено положение отдельных полос в спектре.

4 Физика твердого тела, 1998, том 40, № 642 Е.С. Гафиатулина, С.А. Чернов, В.Ю. Яковлев ции. Набор указанных свойств дает достаточное осно- синхронно с поглощением из других частей спектра;

вание для заключения о том, что возникающие в этой ее принадлежность триплетным АЛЭ поэтому не выобласти температур спектры переходного поглощения, зывает сомнений. Полоса является хорошо выраженной, так же как и люминесценции, обусловлены АЛЭ. достаточно далеко отстоящей в спектре от полос H- и С ростом температуры выше комнатной, начиная Vk-центров семейства I- (максимумы известных полос с 350 K, в структуре спектров переходного поглоще- поглощения дырочных центров в кристалле CsI отмения появлялись наряду с быстрорелаксирующими экси- чены на рис. 3 стрелками по данным [12–15]) и в то тонными полосами относительно долгоживущие полосы же время хорошо совпадающей по положению в спектре поглощения F и H-центров. Интенсивность этих полос с полосой поглощения V2-центров окраски — одних из с температурой быстро увеличивалась; при 550 K, как простейших агрегатных дырочных центров семейства это можно видеть из данных рис. 3, полоса F-центров трехгалоидных ионов со структурой I-. Это вторая в спектре является доминирующей. Высокотемператур- особенность спектра АЛЭ в CsI.

ная нарастающая ветвь зависимости от температуры Сведения о существовании центров каких-либо друзначений оптической плотности в максимуме F-полосы, гих типов, поглощающих в этой области, в литературе измеренных с задержкой 200 ns относительно окончания отсутствуют, поэтому факт сосуществования в спекимпульсов облучения, показана на рис. 2, b кривой 3.

трах поглощения АЛЭ в CsI полос, соответствующих дырочным центрам двух семейств (как I-,так и I-), 2 следует, по-видимому, считать серьезным аргументом в 2. Обсуждение результатов пользу заключения о том, что дырочный компонент АЛЭ триплетного типа в этом кристалле способен локализоПока существует автолокализованный экситон, входяваться не только на двух, но и на трех ионах галоида.

щие в его состав молекулярное дырочное ядро и свяО существовании трехгалоидных автолокализованных занный с ним электрон могут подвергаться оптическому дырок (ТАЛД) в кристаллах щелочных иодидов свидевозбуждению, переходя в более высокоэнергетическое тельствуют данные фемтосекундной спектроскопии. В состояние. Обнаруживаемое при этом поглощение харакработе [16] показано, что ТАЛД в KI создаются за теризуется временем релаксации, совпадающим с времевремена, меньшие чем 1 ps, и являются нестабильными нем затухания АЛЭ в -излучательном состоянии [7,8].

образованиями. Возможно, что в кристалле CsI с простой Форма спектра поглощения определяется структурой кубической решеткой ТАЛД более стабильны вследствие оптических переходов в электронной и ядерной подсималости относительной доли ”пустого пространства” Vm стемах АЛЭ в наинизшем релаксированном состоянии.

(в ионных кристаллах типа NaCi Vm 0.74, в кристалПри этом переходам в электронной подсистеме АЛЭ лах типа CsCl Vm 0.52 [17]).

должна соответствовать низкоэнергетическая часть спекНа основании изложенного, процессы образования и тров: как показано в [7–9], максимумы наиболее инаннигиляции триплетных АЛЭ в кристалле CsI при 80 K тенсивных длинноволновых пиков АЛЭ в большинстве могут быть представлены следующим образом.

щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК) расположены меПосле захвата электрона проводимости Vk-центром жду полосами поглощения F и M-центров окраски [7].

образуются двухгалоидные АЛЭ со структурой На этом основании в спектрах кристалла CsI его можно 1 (I-I0e-) в синглетном + или триплетном + было ожидать в интервале между 1.7 и 1.05 eV. Из u u состояниях.

представленных на рис. 3 данных следует, однако, что АЛЭ в синглетном состоянии имеют центральноон находится, по-видимому, за красной границей разресимметричную (”on-center”) ядерную конфигурацию и шимого спектрометром интервала при h 1.0eV. Это быстро (с 2ns) аннигилируют с испусканием первая особенность спектра АЛЭ в CsI.

-люминесценции (в CsI максимум -полосы приходитСтруктура оптических переходов в ядерной подсися на 4.3 eV [2]).

стеме АЛЭ, согласно существующим представлениям, определяется в основном внутренним строением элек- Релаксация АЛЭ в наинизшее триплетное состояние тронных уровней молекулярного дырочного иона, фор- сопровождается, согласно [18], некоторым смещениям двухгалоидного ядра вдоль его оси с образованием немирующего ядро АЛЭ [10]. Поэтому, в частности, коротковолновые полосы неустойчивого поглощения, об- центральной (”off-centfer”) конфигурации. Это смещение условленные двухгалоидными АЛЭ в ЩГК [9], кристал- неизбежно связано со сближением молекулярного иона I- с соседним ионом I- и образованием в 100 -цепочке лах фторидов щелочных земель [11], по спектральным анионов близкой к трехгалоидной геометрической конхарактеристикам оказываются фактически идентичными полосами стабильных дырочных центров семейства X- фигурации вида (I- - I0e) - I-.

(X — атом галоида): H-, Vk-центров окраски. Можно ожидать, что в результате флуктуаций элекОсобое значение в связи с этим приобретают спект- тронной плотности, вызванных, например, тепловыми рально-кинетические характеристики новой полосы в колебаниями атомов, ядерная подсистема АЛЭ в CsI коротковолновой части спектра АЛЭ в CsI с Em = 3.4eV. за время жизни до излучательной аннигиляции успеет Интенсивность этой полосы спадает после облучения многократно трансформироваться из двух- в трехгалопри всех значениях температуры из области 80-350 K идную конфигурацию и обратно. Структурная формула Физика твердого тела, 1998, том 40, № Создание экситонов и дефектов в кристалле CsI при импульсном электронном облучении такого — трехгалоидного — АЛЭ (ТАЛЭ) может быть записана в виде (I- (I0 - I-e)).

При этом с учетом данных экспериментальных и теоретических работ [1–5] ответственными за испускание люминесценции в полосе 3.6 eV при 80 K в иодиде цезия следует, по-видимому, считать переходы в основное состояние АЛЭ в тот период, когда дырка локализована на двух ионах галоида.

При температурах вблизи комнатной свечение в полосе 3.6 eV оказывается потушенным; основной вклад в спектр люминесценции АЛЭ вносят переходы с энергией 4.3 eV (рис. 1). Эта люминесценция наблюдается вплоть до температур порядка 500 K, ее тушение в области 350-550 K сопровождается изменением спектрального состава переходного поглощения, связанным с появлением полос, принадлежащих F- и H-центрам.

Рис. 4. Схематическое изображение сечения наинизшей адиаТемпературная зависимость светосуммы вспышки люмибатической потенциальной поверхности, соединяющей состоянесценции при 4.3 eV имеет, таким образом, вид кривой ния АЛЭ и разделенных в пространстве F- иH-центров окраски с максимумом (кривая 2 на рис. 2, b). Нарастающей в кристалле CsI.

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.