WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1360 С.А. Казанский, А.И. Рыскин Параметры спин-гамильтониана для ионов Er3+, Tm3+ и Yb3+ в кластерах и в простых изолированных центрах в CaFКластеры в кристаллах CaF2, а также Простые центры в CaF2 [1] Ионы в твердых растворах CaF2 с YF3 или LuF3 glim кубические тетрагональные (тетрагональная симметрия) g g;, cm-1 g g g Er3+ 16 ± 1 g g 18 6.785 7.78 6.g = 0, Tm3+ 14 S = 0.25 ± 0.15, 14 – – – L = 2 ± Yb3+ 7 ± 1 g g 8 3.438 2.423 3.стеров типа Y6F37 (или R6F37) при статистическом рен“ R-фазы и что концентрация трехвалентных R-ионов замещении любого из диамагнитных ионов в кластерах в R-фазе близка к предельной растворимости RF3 во парамагнитным ионом и наоборот. Легко видеть, что все флюоритах ( 40 mol.%). Наиболее простые узкополоспозиции R-ионов в кластерах R6F37 приблизительно эк- ные спектры ЭПР разбавленных кластеров наблюдаются вивалентны (с точностью до положения нецентрального при средних концентрациях R-ионов во флюоритах:

иона F- в кубооктаэдре F12), а симметрия кристалличе- (x + y) 0.01 (рис. 7, e). При этом „дублетная“ струкского поля близка к тетрагональной. тура спектра обусловлена, очевидно, сверхтонким взаиНа рис. 7 приведены спектры ОД ЭПР ионов Tm3+ модействием электронного спина Tm3+ с ядром Tmв кластерах, не разбавленных и разбавленных ионами со спином I = 1/2; содержание изотопа 100%. Заметное Y3+. Значительная ширина спектра ОД ЭПР Tm3+ в уширение линий ОД ЭПР в ориентациях H0 C2 и C3, неразбавленных твердых растворах, содержащих лишь где C2 и C3 — оси кристалла второго и третьего попарамагнитные ионы (рис. 7, a, b), и заметное уширение рядков, свидетельствует о наличии разориентации осей спектра ЭПР при пропорициональном увеличении сум- тензора g относительно выделенного направления в марной концентрации активатора свыше (x + y) =0.телесном угле 5 при концентрации (x + y) 0.(рис. 7, d, c) приводят к выводу о том, что кластеры R6Fи 30 при концентрации (x + y) 0.38.

коагулируют в решетке флюорита с образованием „зеДля ионов Er и Yb в кластерах спектры ОД ЭПР не зависят от длины волны зондирующего света. В то же время спектр МЦД ионов Tm3+ на длинноволновом 3 крыле полосы поглощения перехода H6 H5 (рис. 8) можно разделить на две группы линий: длинноволновую {L} и коротковолновую {S}. Зависимости (H0), измеряемые в обеих спектраьных областях, близки и соответствуют тетрагональным центрам Tm3+ с приблизительно равным фактором g. Однако в спектральной области {S} можно зарегистрировать спектр ОД ЭПР, а в области {L} — нет. Отсутствие сигналов ОД ЭПР для области {L}, очевидно, связано с наличием по крайней мере двух позиций для ионов Tm3+ в кластерах и большой величиной начального расщепления некрамерсова дублета ионов Tm3+, проявляющихся в спектральной области {L}. Методы ОД позволяют оценить величины начального расщепления (S и L) для обеих групп при изучении высокочастотной продольной магнитной восприимчивости некрамерсовых ионов [25].

В настоящей работе величины начального расщепления для ионов Tm3+ в кластерах в CaF2 были оценены по модуляции сигналов МЦД при наложении дополнительного переменного продольного магнитного поля.

Рис. 7. Спектры ОД ЭПР ионов Tm3+ в кластерах в Таким образом, ионы Tm3+ в кластерах в кристалле ориентации H0 C4 (сплошная линия) и H0 C3 (штриховая типа флюорита группируются по величине начального линия) для кристаллов CaF2 : Tm0.002 (a), CaF2 : Tm0.005 (b), расщепления некрамерсова дублета основного состояCaF2 : Y0.01Tm0.003 (c), CaF2 : Y0.0012Tm0.0005 (d) и CaF2 : Y0.01Tm0.0005 (e). mic = 36 GHz, T = 1.8K. ния при сохранении величины фактора g 14. НекотоФизика твердого тела, 2002, том 44, вып. Кластеры ионов III группы в активированных кристаллах типа флюорита 3 Рис. 8. Спектры МЦД (сплошные линии) на длинноволновом крыле полосы поглощения H6 H5 ионов Tm3+ в кластерах для твердых растворов CaF2 : Tm0.002 (a), CaF2 : Lu0.02Tm0.001 (b), CaF2 : Lu0.38Tm0.001 (c), CaF2 : Y0.01Tm0.0005 (d), SrF2 : Lu0.03Tm0.001 (e) и BaF2 : Lu0.03Tm0.001 (f). Штриховыми линиями изображены спектральные зависимости сигналов ОД ЭПР для mic = 36 GHz, T = 1.8K.

рый беспорядок в расположении кластеров типа Y6F37 лического поля A2 r2 J||||J O0, где r2 — среднее в зернах, по нашему мнению, полностью объясняет значение квадрата радиуса 4 f -орбитали, J||||J — кажущееся разнообразие ( 20) кластерных типов при численный коэффициент для каждого R -иона. Матричисследованиях „более чувствительными“, чем ЭПР, ме- ные элементы спиновых операторов O0 положительны тодами оптической и лазерной селективной спектроско- и имеют максимальные значения для спиновых подпии [4–7]. Отметим, что помимо кластеров типа Y6F37 уровней с Jz = ±J. Поэтому в сильном аксимальном в спектрах ОД ЭПР мы не обнаружили присутствия кристаллическом поле нижним состоянием оказывается других кластерных типов. дублет | ±J, если произведение A2 J||||J отрицательЗначения параметров спин-гамильтониана для изучен- но. Обычно для кристаллов со структурой флюорита ных парамагнитных ионов в кластерах в CaF2 приведены A2 > 0. Однако для ионов Er3+, Tm3+ и Yb3+ коэффив таблице (в пределах экспериментальной погрешности циент J||||J > 0 и значение фактора g glim может эти значения приблизительно одинаковы для кластеров достигаться лишь в аномальных кристаллических полях, в кристаллах фторидов Ca, Sr и Ba). Для сравнения в для которых A2 < 0. Чтобы подчеркнуть эту аномалию, таблице также представлены известные значения g-фак- отметим, что спектр ЭПР ионов Tm3+ зарегистрирован торов для простых центров Er3+ и Yb3+ в CaF2.

лишь для небольшого числа систем [27], а в кристаллах Из таблицы видно, что факторы g основных со- со структурой флюорита ранее вообще не наблюдался.

стояний ионов Er3+, Tm3+ и Yb3+ в кластерах имеют 1.3. Микроволновые исследования „ионрекордные значения, не наблюдавшиеся ранее в кристал- ных“ двухуровневых систем в кристаллах лах типа флюорита, и близки к предельно допустимым типа флюорита с кластерами. В кластерах значениям glim = 2JgJ, где J — полный момент, а gJ — типа Y6F37 октаэдр Y6 из шести катионов Y3+, как уже фактор Ланде нижнего мультиплета для каждого из отмечалось, содержит внутри себя кубооктаэдр F12 из R -ионов [26]. Отсюда следует, что основные состояния двенадцати анионов F-, внутри которого помещается этих ионов приближенно представляют собой дублеты еще один нецентральный ион F-. С возможным туннель| ±J. Этот результат может быть объяснен в предпо- ным движением нецентрального иона F- в полости куложении, что основной вклад в аксиальную составляю- бооктаэдра мы связываем существование двухуровневых щую кристаллического поля описывается константой A2, систем (ДС), которые были нами обнаружены в твердых которая здесь отрицательна. Рассмотрим член кристал- растворах типа иттрофлюорита [28].

2 Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1362 С.А. Казанский, А.И. Рыскин в обеих потенциальных ямах (2 на рис. 9). Ситуация аналогична классическому случаю молекулы аммиака NH3. Возникает туннельное расщепление основного состояния иона (молекулы) с антисимметричной волновой функцией нижнего подуровня основного состояния и симметричной верхнего. Между этими подуровнями разрешен электродипольный переход. ДС относятся к неупорядоченным системам с непрерывным распределением величины туннельного расщепления, и соответРис. 9. Основное состояние атома в потенциальных ямах A и ственно резонансное поглощение ДС охватывает широB в отсутствие (1) и при наличии (2) туннельного движения кую область спектра от 0 до 10-100 cm-1 [10–12].

между потенциальными ямами. (R), (R) — волновая A B Было найдено, что все твердые растворы типа итфункция атома в изолированной потенциальной яме A или B;

a b трофлюорита, как содержащие, так и не содержащие (R) =[ (R)- (R)]/ 2 и (R) =[ (R)+ (R)]/ 2 — A B A B парамагнитную примесь, обладают значительными диволновые функции атома на нижнем и верхнем подуровнях электрическими потерями на СВЧ (измерения проводвухъямного потенциала A-B.

дились на частотах 9, 36 и 75 GHz). Кроме того, при T = 1.8 K эти потери носят резонансный характер и испытывают насыщение при увеличении мощности СВЧ-поля.

Обсудим результаты экспериментов в микроволновом диапазоне 36 GHz. Измерения проводились с образцами, помещенными в цилиндрический отражательный резонатор типа TE011. Пустой резонатор с нагруженной добротностью QLO 5000 был согласован с волноводом и поглощал практически всю подводимую микроволновую мощность, генерируемую клистроном. Подводимая мощность 30 mW могла ослабляться аттенюатором на 0-30 dB. Диэлектрические потери в образце приводили к уменьшению добротности резонатора и как следствие к рассогласованию резонатора с волноводом.

При этом соответственно увеличивалась микроволновая мощность, отраженная от резонатора с образцом.

На рис. 10 приведены четыре кривые микроволновой мощности, отраженной от резонатора с образцом, в области частот зоны генерации клистрона (±50 MHz относительно центральной частоты mic 36 GHz) при Рис. 10. Частотная зависимость микроволновой мощности, различных уровнях ослабления подводимой микроволногенерируемой клистроном ( 30 mW), после отражения от вой мощности. Вблизи центра этих кривых видны линии СВЧ-резонатора с образцом (CaF2)0.98(YF3)0.02 при различных поглощения резонатора с образцом. Линии сужаются, и уровнях ослабления генерируемой мощности: 30 (a), 20 (b), их интенсивность возрастает при увеличении подводи10 (c) и 0 dB(d). mic 36 GHz, T = 1.8K.

мой микроволновой мощности из-за роста добротности резонатора с образцом и лучшего согласования его с волноводом при насыщении поглощения между нижним Известно, что „ионные“ ДС образуются при тун- и верхним подуровнями ДС.

нелировании атомов или групп атомов в аморфных Детальное изучение ДС в твердых растворах тидиэлектриках или разупорядоченных, стеклоподобных, па иттрофлюорита методами далекого ИК-поглощения областях кристаллов с протяженными „пористыми“ и рамановского рассеяния было выполнено в рабодефектами [29,30]. Простейшая модель возникновения тах [10–12].

ионных ДС представлена на рис. 9. В отсутствие туннелирования движение иона, расположенного в полости 2. Роль кластеров в формировании протяженного дефекта, ограничено одной из потенциальных ям в полости дефекта и волновые функции иона полупроводниковых свойств CdFв различных потенциальных ямах не перекрываются (1 на рис. 9). В том случае, когда возможно тунне- CdF2 — единственный кристалл типа флюорита, болирование между различными потенциальными ямами, лее того, это единственный преимущественно ионный волновая функция такого иона в нулевом приближении кристалл, который может быть переведен в полупропредставляет собой суперпозицию волновых функций водниковое состояние путем легирования элементами Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Кластеры ионов III группы в активированных кристаллах типа флюорита рованных бистабильными примесями кристаллов CdFзначительно изменяются в процессе конверсии глубоких центров в мелкие, что делает эти кристаллы фотохромными [32,33].

В полупроводниковых кристаллах CdF2 мы обнаружили „электронные“ ДС, обусловленные существованием ионизованных донорных пар в ситуации, когда в кристалле сосуществуют ионизованные и нейтральные доноры [36]. Для описания ионизованных донорных пар была использована теория Танаки и др. [37], модифицированная таким образом, чтобы она была применима Рис. 11. Уровни энергии в запрещенной зоне полупроводник полупроводникам с произвольной степенью компенсаковых кристаллов. a —CdF2 : Y; b —CdF2 : In и CdF2 : Ga.

ции в широкой области частот (включая далекую ИКобласть).

2.1. Ионизованные донорные пары. МодиIII группы и последующим прогревом в восстановиф и к а ц и я т е о р и и Т а н а к и. При условии, что два тельной атмосфере, например в парах Cd (аддитивное ближайших донора идентичны, единственный электрон, окрашивание кристалла [31]). Во время этой процедуры захваченный этой ионизованной донорной парой, имеет ионы F-, компенсирующие избыточный заряд (+1) трехравную вероятность находиться на любом из двух донорвалентных ионов активатора, диффундируют из объема ных уровней — ситуация, аналогичная молекулярному кристалла к поверхности, где они рекомбинируют с атоиону H+. Дважды вырожденное основное состояние мами восстановителя (Cd), а электронейтральность критакой системы расщеплено на интервал W, зависящий сталла поддерживается обратным потоком электронов в от расстояния r между донорами в паре. Поскольку его объем. Полупроводниковые кристаллы CdF2 могут доноры распределены в кристаллической решетке старассматриваться как частично компенсированные полутистически, имеет место непрерывное распределение проводники n-типа [32,33] с нейтральными донорами, донорных пар в зависимости от расстояния r. Это захватившими электрон на водородоподобную орбиталь приводит в частично компенсированных полупроводнис боровским радиусом a; при этом роль акцепторов ках к широкополосному микроволновому и далекому выполняют непрореагировавшие междоузельные ионы ИК-поглощению, что впервые наблюдалось в слабо F- (рис. 11, a). Степень компенсации K определяется легированных Si и Ge [37,38].

+ + как K = ND/ND, где ND = ND + ND — суммарная конВ зависимости от расстояния r энергия „квантового 0 + центрация нейтральных (ND) и ионизованных (ND) дорасталкивания“ W, резонансная частоте электромагноров. Отметим, что в CdF2 энергия ионизации доноров нитного поля, при r > a с хорошей точностью 100 meV, что существенно больше, чем в известных равна [37] полупроводниках. С донорными центрами связана фотоr ионизационная ИК-полоса поглощения с максимумом на = W (r) (4e2/31a) exp(-r/a). (5) 7-8 µm. a Среди донорных примесей в CdF2 Ga и In играют осоДля дальнейшего рассмотрения необходимо опредебую роль, так как эти примеси образуют бистабильные лить среднее расстояние между донорными центрами центры. Помимо обычного „мелкого“ водородоподобнов максимальной концентрации (или нейтральными, или го состояния Ga и In также формируют „глубокое“, ионизованными) сильно локализованное DX-состояние (рис. 11, b), харак- -1/теризуемое большой релаксацией кристаллической ре- R = Nma j, (6) шетки, т. е. большим смещением положения равновесия в пространстве конфигурационных координат [34,35].

где Nma j = ND = ND(1 - K) для 0 K 0.5 и + При охлаждении в темноте восстановленные криNma j = ND = NDK для 0.5 K 1.

Pages:     | 1 || 3 |



© 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.