WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 11 Влияние протонного облучения на кинетику затухания фосфоресценции керамики ZnS-Cu ¶ © Т.А. Кучакова, Г.В. Весна, В.А. Макара Киевский национальный университет им. Т. Шевченко (Физический факультет), 03608 Киев, Украина (Получена 1 марта 2004 г. Принята к печати 23 марта 2004 г.) Рассмотрены результаты исследования дозовых зависимостей кривых затухания фосфоресценции при рентгеновском возбуждении люминесцентной керамики ZnS-Cu до и после облучения протонами с энергией 50 МэВ. Экспериментально обнаружено аномальное изменение показателя гиперболы кривых фосфоресценции при увеличении величины накопленной светосуммы. На основе анализа полученных данных установлено, что в затухании участвуют два процесса: мономолекулярный, характеризующийся кинетикой 1-го порядка, и бимолекулярный механизм, которому отвечает кинетика 2-го порядка. На центрах безызлучательной рекомбинации, индуцированных протонным облучением, происходят переходы носителей, делокализовавшихся с ловушек, рекомбинация которых на центрах свечения в процессе затухания описывается кинетикой 2-го порядка.

1. Введение свечения или запасания, а выступают в качестве центров безызлучательной рекомбинации. Основными приВ классическом люминофоре ZnS-Cu (ФК-106) яр- чинами, влияющими на изменение свойств полупрокое послесвечение наблюдается в течение нескольких водниковых материалов после протонного облучения, десятков минут. Этот люминофор широко используется являются образование новых примесей в результате для визуализации рентгеновского излучения, посколь- ядерных реакций, радиационное дефектообразование и ку обладает высоким квантовым выходом в зеленой накопление атомов водорода [6]. В результате воздейполосе свечения ( 525 нм) [1]. Исследованию кинети- ствия электронных, нейтронных или протонных пучков ки фосфоресценции кристаллофосфоров ZnS при фото- с энергией больше пороговой на сульфид цинка спектр возбуждении посвящено много работ, например [2,3]. радиационных дефектов имеет сложный характер, одОсобенностью рентгеновского возбуждения материала нако преобладают френкелевские пары в подрешетках является возникновение локальных областей с высокой цинка и серы [7–9]. Вакансии, созданные радиацией, не плотностью электронного возбуждения. Пространствен- отжигаются вплоть до 400 K (VZn) и 450 K (VS) [9].

ное распределение локализованных носителей разных Один из типов точечных дефектов (VZn — однократзнаков сильно влияет на кинетику затухания фосфорес- но отрицательно заряженная вакансия цинка) входит ценции [4]. Этот вид возбуждения наиболее информа- в ассоциативный центр глубокого свечения с длиной тивен и при изучении радиационных дефектов, обра- волны = 465 нм [9,10]. При протонном облучении дозовавшихся в материале после облучения протонами, зой 1015 см-2 не обнаружено увеличения интенсивности так как характеризуется более высокой проникающей этой полосы, в то время как интенсивность зеленого способностью по сравнению с оптическим зона-зонным свечения, за которое отвечают вакансии VZn, заметно возбуждением, что дает возможность получить больше уменьшилась. По данным работы [10], зеленая полоса информации об изменениях, происшедших в объеме ма- может быть почти полностью погашена при прогреве териала. Второй важной особенностью рентгеновского образцов в парах цинка.

возбуждения является его низкая эффективность в вы- Цель работы заключалась в изучении кинетики затусвечивании запасенной светосуммы, поскольку вероят- хания люминесцентной порошковой керамики ZnS-Cu ность взаимодействия рентгеновского кванта и высоко- при изменении дозы рентгеновского возбуждения до и энергетического фотоэлектрона с точечными дефектами после протонного облучения.

не превышают вероятности их взаимодействия с ионами матрицы. При генерации одинакового количества сво2. Методика эксперимента бодных электронно-дырочных пар рентгеновское возбуждение практически всегда дает большую запасенную Объектом исследования была люминесцентная керасветосумму, чем фотовозбуждение.

мика ZnS-Cu, полученная методом горячего прессоПроведенный в [5] анализ изменений рентгенолювания промышленного порошкового кристаллофосфора минесценции (РЛ), фосфоресценции и термостимулиФК-106 (ZnS-Cu) в графитовых пресс-формах при темрованной люминесценции (ТСЛ) сульфида цинка от пературе 1400 K под давлением 3 · 107 Па. Для изучения дозы протонного облучения показал, что образующиепроцессов послесвечения были отобраны два типа обся радиационные дефекты не создают новых центров разцов: необлученные (тип 1) и облученные протонами ¶ E-mail: kuch@univ.kiev.ua дозой 1015 см-2 (тип 2). Облучение образцов осущеВлияние протонного облучения на кинетику затухания фосфоресценции керамики ZnS-Cu ствлялось высокоэнергетическими протонами (50 МэВ) на циклотроне У-240, а возбуждение — интегральным излучением рентгеновской трубки (Mo, 35 кВ, 10 мА) при температурах T = 85 и 295 K. Регистрация фосфоресценции осуществлялась синхронно по двум каналам:

интегрально (люминесцентное излучение фокусировалось на фотокатод ФЭУ-106) и спектрально (через светосильный монохроматор МДР-2). Все спектры люминесценции корректировались с учетом спектральной чувствительности регистрирующей системы. Время возбуждения образцов варьировали от 2 с до 3 ч, фосфоресценцию регистрировали в течение 10 мин. Исходя из технических возможностей регистрирующей системы, данные по фосфоресценции анализировали начиная с 30 с после окончания возбуждения образцов.

Рис. 1. Спектры стационарной рентгенолюминесценции (1) и фосфоресценции (2) образцов ZnS-Cu. T = 85 K.

3. Полученные результаты и их обсуждение измеренные при 5 с возбуждения до и после 3 ч возУстановлено, что кривые изменения интенсивности буждения и высвечивания запасенной светосуммы. Для фосфоресценции во времени J(t) при регистрации в обоих типов образцов форма кривой фосфоресценции заинтегральном свете и спектрально в максимуме зеленой висит от дозы полученного возбуждения. С увеличением полосы свечения (520-529 нм) подобны при одинаковремени возбуждения интенсивность фосфоресценции вых временах возбуждения. Спектр стационарной РЛ и монотонно увеличивается и достигает максимального спектр фосфоресценции имеют различия (рис. 1). Вспекзначения за 180 с при T = 85 K для обоих типов тре низкотемпературной фосфоресценции отсутствует образцов. При T = 295 K максимум интенсивности фосголубая полоса с максимумом свечения при = 465 нм;

форесценции для образцов типа 1 достигается за 60 с, кроме того, отчетливо наблюдается смещение „зеленой“ для образцов типа 2 за 180 с. При более длительном полосы в длинноволновую область спектра. По-видимовозбуждении облученного образца (от 10 мин до 3 ч) му, спектр свечения стационарной люминесценции керанаблюдается небольшое увеличение светосуммы под мики ZnS-Cu в зеленой области состоит из нескольких кривой фосфоресценции в конечной стадии ее затухаспектрально близко расположенных и сильно перекрыния. Следует отметить, что для облученных протонами вающихся полос свечения [11]. Смещение общего макобразцов величина запасенной светосуммы под кривой симума зеленой полосы в спектре фосфоресценции по фосфоресценции оказалась существенно меньшей, ососравнению со спектром РЛ можно связать с различным бенно для T = 295 K. Также для этих образцов наблюдавкладом этих полос в общую интенсивность свечения.

ется уменьшение интенсивности свечения стационарной Для свечения этого центра реализуется рекомбинацилюминесценции на 35%, в частности уменьшение свеонный механизм, поскольку свечение наблюдается в чения основной полосы с максимумом при = 522 нм.

фосфоресценции и ТСЛ. Это означает, что центр свеВо всех случаях (два типа образцов и две темпечения в перезаряженном состоянии может находиться ратуры возбуждения) экспериментальные зависимости как угодно долго, что обусловливает изменение проспада интенсивности J(t) после 1-й минуты затухания странственных координат его лигандов. Естественно, удовлетворительно аппроксимируются гиперболической изменяются сила и, возможно, симметрия кристалличезависимостью (феноменологической формулой Беккереского поля для перезаряженного центра свечения. При ля [12]) рекомбинации свободного носителя на центре свечения в таком кристаллическом поле должен измениться JJ(t) =, (1) энергетический зазор между основным и возбужденным (1 + t) уровнями (эффект Яна–Теллера [8]). В случае стациогде, — постоянные, причем 1 2.

нарной люминесценции будет наблюдаться не только После облучения керамики протонами изменяетсвечение за счет рекомбинации свободных носителей, но ся зависимость кинетики фосфоресценции от времеи свечение, обусловленное рекомбинацией экситонов.

Также было экспериментально установлено, что дли- ни возбуждения образцов. В случае возбуждения обтельное рентгеновское возбуждение (t0 = 3ч) не изме- разца при азотной температуре эти изменения меняет число центров рекомбинации (излучательных и нее выражены, общие закономерности сохраняются. На безызлучательных) и центров захвата. Для этого срав- рис. 2, 3 представлены зависимости показателя степени нивались между собой кривые фосфоресценции и ТСЛ, = ln(J)/ ln(t), где t — время регистрации фосфоресФизика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1318 Т.А. Кучакова, Г.В. Весна, В.А. Макара ждении образцов характер затухания изменяется слабо. При малой степени возбуждения образца условие ni/nk = const нарушается. Разброс значений отражает эти закономерности. Для образцов типа 1 кривые затухания, полученные для разных времен возбуждения, можно совместить, перемещая кривую, соответствующую меньшей степени возбуждения, вдоль оси времени вправо. С увеличением накопленной светосуммы образцом показатель уменьшается. Кинетика затухания фосфоресценции в образцах типа 1 при рентгеновском возбуждении соответствует кинетике переходного участка (беккерелевского) теоретической кривой затухания, полученной на основании газокинетической теории фотолюминесценции кристаллофосфоров [2,3].

Рис. 2. Зависимость показателя гиперболы от времени рентВ образцах типа 2 наблюдается возрастание показатегеновского возбуждения для необлученных (1) и облученных ля степени при увеличении времени возбуждения, т. е.

протонами (2) образцов. T = 295 K.

при увеличении запасенной светосуммы, что не объясняется в рамках газокинетической теории люминесценции кристаллофосфоров [2,3]. С другой стороны, увеличение показателя степени при увеличении запасенной светосуммы образцом не объясняется и особенностями рентгеновского возбуждения [4]. Радиационные изменения существеннее отразились на затухании при комнатной температуре. Вместе с тем, если зафиксировать время момента затухания фосфоресценции (ti), дозовая зависимость интенсивности хорошо описывается известным из газокинетической теории фотолюминесценции соотношением для накопления светосуммы:

tJ(ti) =J0(ti ) 1 - exp -, (2) i где t0 — время возбуждения образца, i — харакРис. 3. Зависимость показателя гиперболы от времени ренттерное время насыщения ловушки i-го сорта, отражагеновского возбуждения для необлученных (1) и облученных ющее темп накопления светосуммы. Полученные запротонами (2) образцов. T = 85 K.

висимости распределения i на протяжении интервала регистрации фосфоресценции во времени представлены на рис. 4. Значения i вычислялись по минимальному ценции, от времени возбуждения t0 для обоих типов среднеквадратичному отклонению зависимости (2) от образцов при T = 85, 295 K.

экспериментальных значений. Такой характер этих заИспользуемый способ возбуждения требует учета рявисимостей позволяет предположить, что наблюдаемая да факторов. Прежде всего — это распределение по объему перезаряженных ловушек. Более глубоко расположенные слои люминофора возбуждаются слабее. Кривые затухания каждого слоя имеют различные начальные наклоны, а регистрируемая кривая затухания является суммой всех этих кривых. Также необходимо учитывать пространственное распределение электронного возбуждения, присущее рентгеновскому возбуждению.

При этом образуются локальные области с различной плотностью возбуждения в объеме образца.

В образцах типа 1 характер затухания при обеих температурах по достижении насыщения не изменяется.

Состоянию насыщения соответствует равновесное распределение зарядов по ловушкам (выполняется условие:

в интервале времени от t1 до t2 соотношение между концентрациями локализованных зарядов оказывается Рис. 4. Распределение на протяжении временного интервала постоянным, т. е. ni/nk = const), при дальнейшем возбу- регистрации фосфоресценции. T = 295 K.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Влияние протонного облучения на кинетику затухания фосфоресценции керамики ZnS-Cu ственно. Большое значение можно объяснить, если в качестве метастабильного состояния выступает полярон, стабилизированный в решетке определенным дефектом, а переход на центр свечения осуществляется через механизм туннелирования. Для второй компоненты, затухание которой описывается кинетикой по формуле (1), получена постоянная = 5с-1 при = 1.8.

Наличие экспоненциальной компоненты в затухании может быть обусловлено следующими причинами: 1) наличием в материале гомологически связанных центров свечения и ловушек; 2) уникально низкой подвижностью свободного носителя (образование промежуточного метастабильного поляронного состояния);

3) значительным превышением (как минимум на поряРис. 5. Характерное разложение экспериментальной кривой док) концентрации перезаряженных центров свечения фосфоресценции на две элементарные составляющие при над концентрацией мелких ловушек, которые обусловлиT = 295 K: 1 — экспоненциальная, 2 — гиперболическая.

вают фосфоресценцию. Авторы работ [13] высказывали предположение, что в ZnS-Cu присутствуют ловушки, расположенные пространственно рядом с центром свечения или являющиеся частью единого комплекса. Ценфосфоресценция в люминесцентной керамике ZnS-Cu тры зеленого свечения, доминирующие в данном материявляется суперпозицией двух кривых, обусловленных але, могут состоять из собственных дефектов и активиразными физическими процессами и доминирующими рующей примеси — Cu [9,10]. Ловушкой в таком центре в различных временных интервалах. Первый процесс служит метастабильное состояние, а короткоживущим характеризуется линейной кинетикой, а второй — квадуровнем является возбужденный уровень центра [13].

ратичной. При обработке экспериментальных данных Метастабильным состоянием может быть полярон, лопо затуханию использовали метод Аленцева–Фока [12] кализованный вблизи дефекта [14–16]. В таком комдля разделения кривых на две компоненты, исходя из плексе реализуется по сути внутрицентровый механизм, следующего. Кривая фосфоресценции является суперпокоторый, как известно, описывается экспоненциальной зицией двух кривых, доминирующих в различных, хотя зависимостью. Излучательный переход в таком центре и частично перекрывающихся, временных интервалах.

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.