WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 6 Спектры двухфотонно-возбуждаемой люминесценции в нанокристаллах алмаза © С.Н. Миков, А.В. Иго, В.С. Горелик Ульяновский государственный университет, 432700 Ульяновск, Россия Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия E-mail: mikov@fesc.mv.ru, mikov@sv.uven.ru (Поступила в Редакцию 17 января 1996 г.) Зарегистрированы спектры двухфотонно-возбуждаемой люминесценции (ДВЛ) в сине-голубом (400-500 nm) и ближнем ультрафиолетовом (300–400 nm) диапазонах для алмазных частиц со средним размером 4 nm, полученных методом детонационного синтеза из взрывчатых веществ. На основании сопоставления полученных спектров со спектрами примесной люминесценции в крупных кристаллах алмаза наблюдаемые полосы ДВЛ отнесены к дефектам ”N2” и ”N3”, связанным с присутствием в алмазе примесей азота. Обнаружены некоторые отличительные особенности представленных спектров ДВЛ: коротковолновый сдвиг максимума и изменения в форме и ширине спектральных полос для ультрадисперсного алмаза по сравнению со спектром в объемных кристаллах.

Спектры примесной люминесценции кристаллов наря- Изучение спектров ДВЛ представляет интерес также ду со спектрами поглощения несут в себе важную ин- в связи с тем, что в литературе имеется мало данных по формацию о структуре дефектов и механизмах электрон- спектрам ДВЛ алмазов, а для ультрадисперсного алмаза фононного взаимодействия в этих кристаллах. Спек- такие данные отсутствуют вообще.

тральные свойства поглощения и люминесценции в при- В настоящей работе сообщаются результаты исслеродных и искусственных кристаллах алмаза к настояще- дования примесной ДВЛ в ультрадисперсных порошках му времени уже достаточно хорошо изучены практиче- ”взрывных алмазов”, возбуждаемой лазурным источниски во всех спектральных диапазонах. В частности, спек- ком видимого диапазона.

тры поглощения в инфракрасной области исследованы в [1], подобный обзор спектральных свойств в видимой 1. Методика эксперимента и ближней ультрафиолетовой (УФ) области представлен в [2], спектры рекомбинационного излучения кристаллов Для записи спектров ДВЛ образцы были приготовлены алмаза в УФ области приведены в [3]. Характерной по следующей методике. Алмазный порошок тщательно особенностью оптических свойств алмаза по сравнению перемешивался с измельченным бромидом калия (KBr), с большинством других кристаллов является наличие а затем смесь уплотнялась на специальном прессе. В люминесценции в сине-голубой и УФ области спектра, результате воздействия на смесь порошков с усилием что используется, например, для определения качества около 2 kN получалась таблетка диаметром 10 и толщиалмазов.

ной 3 mm, которая и использовалась для исследований.

В последнее время значительный интерес вызываМассовое содержание алмазного порошка в таблетке соют так называемые ”взрывные алмазы” — ультрадисставляло около 2 %. Такой способ подготовки образцов персный алмазный порошок, получаемый методом деобладает определенными преимуществами по сравнению тонационного синтеза взрывчатых веществ [4]. Прос обычной методикой записи спектров микропорошков.

веденные рентгеноструктурные исследования [5, 6], а Матрица из KBr играет здесь роль иммерсионной среды, также изучение спектров комбинационного рассеяния что в значительной степени уменьшает отражение и света (КР) [6–8] позволили надежно идентифицировать рассеяние света на границах частиц.

у ”взрывных алмазов” кристаллическую решетку типа В качестве источника возбуждения в эксперименте алмаза. Одним из уникальных свойств этих веществ применялся лазер на парах меди со средней мощностью является то, что размеры частиц алмазного порошка излучения 3 W и двумя линиями генерации: зеленой лежат в пределах 3–6 nm.

( = 510.6nm) и желтой ( = 578.2nm). ДлительЭто обстоятельство привлекает особое внимание к исследованию данных объектов, поскольку можно пред- ность лазерных импульсов составляла 20 ns, частота их положить возникновение в них квантово-размерных эф- следования — 8 kHz. Излучение, выходящее из образфектов. В [9], в частности, показано, что особенности ца, фокусировалось на входную щель монохроматора спектров КР ”взрывных алмазов” со средним размером МДР-2 и затем регистрировалось схемой счета фотонов.

порядка 4 nm могут быть объяснены размерным кванто- Спектры ДВЛ исследовались в двух частотных областях.

ванием фононного спектра и влиянием пространственно- При записи спектра в области 400–500 nm перед щего ограничения на фотон-фононное взаимодействие. лью монохроматора устанавливался светофильтр BG-12, Спектры двухфотонно-возбуждаемой люминесценции в нанокристаллах алмаза при этом возбуждение спектра осуществлялось только желтой линией (зеленая линия подавлялась фильтром, который ставился перед образцом). При записи спектра в области 300–400 nm перед щелью монохроматора устанавливался светофильтр УФС-1, а возбуждение спектра осуществлялось обеими линиями лазера. Соответствующие светофильтры использовались для предотвращения попадания возбуждающего лазерного излучения в систему регистрации. Все измерения проводились при комнатной температуре.

2. Экспериментальные результаты.

Обсуждение На рис. 1 сплошной линией показан спектр ДВЛ исследуемого образца в области 400–500 nm, пересчиРис. 2. Спектр ДВЛ алмазных частиц со средним размером танный с учетом спектральной зависимости пропуска4 nm в области 300–400 nm при одновременном возбуждении ния светофильтра BG-12. Спектр представляет собой двумя линиями лазера с = 510.6 и 578.2 nm (сплошная гладкую широкую полосу (ширина на полувысоте солиния); штриховой линией показан спектр, рассчитанный для ставляет около 85 nm) с максимумом при длине волны дефекта ”N2” по теории [2].

= 440 nm. Возрастание интенсивности излучения в области 500 nm связано с неполным подавлением зеленой линии лазера при 510.6 nm. Штриховой линией показан известный спектр люминесценции природного Известно [2], что люминесценция в этой области алмаза из работы [10]. Он имеет несколько локальных спектра в алмазе обусловлена электронными переходами максимумов на фоне полосы шириной 90 nm, которые между дважды вырожденным возбужденным состоянием отсутствуют в нашем спектре. Наиболее сильный мак(E1) и основным невырожденным состоянием (A1) десимум интенсивности расположен при 455 nm. Вторым фекта ”N3”, имеющего C3v симметрию. Такие дефекты отличием полученного нами спектра от известного [10], состоят из трех атомов азота, заместивших углерод соответствующего крупному кристаллу, является общий в вершинах элементарной ячейки и связанных либо сдвиг контура спектра в коротковолновую область.

с общим атомом углерода, либо с общей вакансией.

Возбуждение электронной подсистемы дефекта приводит к некоторой дисторсии решетки в области дефекта, а именно к некоторому сдвигу атомов от первоначального положения равновесия. Направление сдвига определяется уменьшением E энергии системы. Величина E и энергия колебаний решетки h определяют фактор Хуанга–Рис S = E/h, который, согласно теории [2], связывает вид спектальной формы линии люминесценции с природой конкретного дефекта. Положение линии определяется энергией (длиной волны) бесфононного перехода, которая в свою очередь связана с природой дефекта.

Близкое расположение и подобие формы спектральной линии, полученной в нашем эксперименте, по сравнению с известной линией, соответствующей дефекту ”N3” в крупном алмазе, позволяет сделать вывод о том, что наблюдаемая линия относится к этому типу дефекта.

Отсутствие локальных максимумов на спектральной кривой, представленной в данной работе, может быть объяснено, по-видимому, либо некоторым нагревом образца под воздействием лазерного излучения, либо присутРис. 1. Спектр ДВЛ алмазных частиц со средним размером ствием дефектов кристаллической структуры. Другим 4 nm в области 400–500 nm при возбуждении желтой линией отличием спектра от известного спектра крупного крилазера 578.2 nm (сплошная линия); штриховой линией обознасталла является заметный сдвиг коротковолнового края чен спектр люминесценции дефекта ”N3” крупного алмаза из работы [10] на 20 nm в сторону более высоких частот.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1112 С.Н. Миков, А.В. Иго, В.С. Горелик На рис. 2 сплошной линией представлен спектр ДВЛ [6] M. Yoshikawa, Y. Mori, H. Obata, H. Maegawa, G. Katagiri, H. Ishida, A. Ishitani. Appl. Phys. Lett. 67, 5, 694 (1995).

образца в области 300–400 nm, пересчитанный с учетом [7] E.D. Obraztsova, K.G. Korotushenko, S.M. Pimenov, V.G. Ralспектральной зависимости пропускания светофильтра chenko, A.A. Smolin, V.I. Konov, E.N. Loubnin. Nanostruct.

УФС-1. Спектр содержит отчетливый максимум при Mater. 6, 827 (1995).

= 356 nm и слабый максимум при = 380 nm.

[8] С.Н. Миков, А.В. Иго, В.С. Горелик. ФТТ 37, 10, Ширина линии на полувысоте максимума с = 356 nm (1995).

составляет 16 nm. Данную спектральную линию можно [9] В.С. Горелик, А.В. Иго, С.Н. Миков. ЖЭТФ 110, 6, связать с дефектом ”N2”, который образуется замеще(1996).

нием двух смежных атомов углерода, расположенных на [10] G. Davies. Proc. Roy. Soc. A336, 507 (1974).

телесной диагонали, атомами азота. Согласно [11], такой [11] G. Davies, M.H. Nazare. Proc. Roy. Soc. A365, 75 (1979).

дефект обладает симметрией D3d и имеет два дипольных перехода с длинами волн бесфононных переходов и 330 nm.

Следует отметить, что определенные нами в эксперименте положение линии ДВЛ и ее относительно небольшая ширина не согласуются с данными работы [11], в которой вычислены положение уровней энергии дефекта и величина электрон-фононного взаимодействия. Если для оценки энергии фононов взять фононы, имеющие наибольшую плотность состояний в алмазе (h = 0.и 0.112 eV), то представленный здесь экспериментальный спектр люминесценции в области 300–400 nm можно описать, пользуясь теорией [2], контуром с S = 0.и длиной волны бесфононного перехода 344 nm (штриховая кривая на рис. 2). Это соответствует слабой ян– теллеровской релаксации (S 1). В работе [11], где представлены спектры люминесценции крупных алмазов при однофотонном возбуждении, напротив, факторы Хуанга-Рис для двух указанных линий оценены как достаточно большие (S 10).

Таким образом, в данной работе с использованием методики двухфотонного возбуждения впервые проведено исследование спектров двухфотонно-возбуждаемой люминесценции для ультрадисперсных порошков ”взрывных алмазов” в ближней ультрафиолетовой и синей областях спектра. Показано, что алмазные частицы со средним размером 4 nm проявляют люминесцентные свойства, характерные для крупных кристаллов алмаза, однако имеются определенные отличия в положении и форме соответствующих спектральных линий для ультрадисперсных алмазных порошков и крупных монокристаллов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 97–02–16710 и 98–02–03327).

Список литературы [1] C.A. Klein, T.M. Hardnett, C.J. Robinson. Phys. Rev. B45, 22, 12 854 (1992).

[2] G. Davies. Rep. Prog. Phys. 44, 787 (1981).

[3] Оптические свойства полупроводников. Справочник / Под ред. М.П. Лисицы. Наук. думка, Киев (1987). 607 с.

[4] А.И. Лямкин, Е.А. Петров, А.П. Ершов, Г.В. Сакович, А.М. Ставер, В.М. Титов. ДАН 302, 611 (1988).

[5] М.Б. Гусева, В.Г. Бабаев, В.В. Хвостов, З.Х. Валиуллова.

Изв. РАН. Сер. физ. 58, 1, 191 (1994).

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып.




© 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.