WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 12 Дислокационная спектроскопия кристаллов © С.З. Шмурак Институт физики твердого тела Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия E-mail: shmurak@issp.ac.ru (Поступила в Редакцию 5 марта 1999 г.

В окончательной редакции 21 апреля 1999 г.) Предложен новый метод изучения энергетических характеристик дислокаций, основанный на исследовании взаимодействия движущихся дислокаций с направленно вводимыми электронными и дырочными центрами.

Проведены исследования щелочно-галоидных кристаллов KCl, NaCl, KBr, LiF и KI, содержащих электронные F- и дырочные VK- и Me++ (Cu++, Ag++, Tl++, In++)-центры. Исследование температурной зависимости взаимодействия дислокаций с F-центрами позволило определить положение электронной дислокационной зоны (ЭДЗ) в зонной схеме кристалла. В KCl ЭДЗ удалена от дна зоны проводимости на 2.2 eV. Показано, что дислокации переносят дырки от центров, расположенных ниже дырочной дислокационной зоны (ДДЗ) (X+, In++, Tl++, VK), на центры, лежащие выше ДДЗ, (Cu+, Ag+)-центры. Такой процесс не зависит от температуры. Определено положение ДДЗ в зонной схеме кристалла, в кристалле KCl она удалена от вершины валентной зоны на 1.6 eV. Определены эффективные радиусы взаимодействия дислокаций с электронными F- и дырочными X+, VK, Tl++-центрами.

Как известно, дислокации оказывают существенное ла. Достоинством обсуждаемого метода является также влияние на спектр электронных состояний кристалла, то, что таким способом определяются энергетические что приводит к изменению многих физических свойств характеристики движущихся дислокаций, свободных от (электрических, оптических и магнитных) кристалла. декорирующих их в неподвижном состоянии примесей.

Целый ряд процессов стимулируется движущимися дислокациями. При движении дислокаций в окрашен1. Взаимодействие дислокаций ных щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК) наблюдается с электронными и дырочными эмиссия фотонов и электронов, происходит уничтожение одних, например, F-, VK- и рождение других (Cu++, центрами в ионных кристаллах Ag++)-центров [1–4]. В кристаллах ZnS движущиеся дислокации приводят к возникновению дислокационно- Теоретическое рассмотрение влияния такой сложной го тока, всплесковой и стационарной деформационной системы как дислокация на спектр электронных состоялюминесценции, эмиссии электронов, нечетному по по- ний является очень трудной задачей даже для щелочнолю электропластическому эффекту, структурным пере- галоидных кристаллов, в которых подробно исследован стройкам кристалла [5–7]. спектр зонных состояний и известны структуры дислоДля установления механизмов, определяющих вли- каций.

яние дислокаций на физические свойства кристаллов, Квантово-механический расчет, выполненный рядом необходимо, в первую очередь, понять, каким образом авторов [8,9], показывает, что на дислокациях сущедислокации изменяют энергетический спектр кристалла. ствуют связанные состояния и электронов, и дырок.

К сожалению, несмотря на большое количество работ по Однако к величинам энергий связи, определенным в этих влиянию дислокаций на физические свойства кристал- работах, нужно относиться лишь как к оценке по порядку лов, информация об энергетических характеристиках величины, так как в работах используется приближение дислокаций крайне скудна. короткодействующего (деформационного) потенциала. В В настоящей работе предлагается новый метод опреде- то же время оценки показывают, что радиус связанного ления энергетических характеристик дислокаций, осно- состояния носителей оказывается порядка постоянной решетки, когда исходное приближение неприменимо.

ванный на исследовании взаимодействия дислокаций с Поэтому экспериментальное изучение энергетических направленно вводимыми в ЩГК центрами. В кристалле создаются электронные и дырочные центры, энергети- характеристик дислокаций, полученных на основе исческие характеристики которых известны. Затем иссле- следования взаимодействия движущихся дислокаций с дуются температурные зависимости изменения концен- электронными и дырочными центрами, представляет значительный интерес для физики твердого тела.

трации введенных центров после взаимодействия с ними движущихся дислокаций. В этом процессе электронные При движении дислокации она непременно взаимодейи дырочные центры являются ”энергетическими” ре- ствует с электронными и дырочными центрами. Очевидзервными метками. Эта методика позволяет получить но, что если энергетический уровень электронного ценинформацию об энергетических параметрах электронной тра (ЕС) расположен выше электронной дислокационной и дырочной дислокационных зон в зонной схеме кристал- зоны (De), то электрон с ЕС будет захвачен дислокацией.

3 2140 С.З. Шмурак Этот процесс не требует активации, так как электрону выгодно опуститься на более низко расположенное состояние. В то же время дырке выгодно ”всплыть” в зонной схеме кристалла. Поэтому, если дырочная дислокационная зона (DF) будет расположена выше дырочного центра (HC), то процесс захвата дырки дислокацией также не будет требовать энергии активации. Описанные безактивационные процессы изображены на рис. 1, a.

Экспериментальным проявлением описанных процессов является независимое от температуры уменьшение концентрации электронных и дырочных центров после плаРис. 2. Энергетическое положение некоторых центров в стической деформации образца.

зонной схеме кристалла KCl.

На рис. 1, b представлено расположение дырочных и электронных центров, при взаимодействии с которыми захват дислокациями электронов и дырок требует энергии активации. В этом случае число разрушенных легко определить, решая систему кинетических уравнедислокациями центров будет зависеть от температуры, ний, описывающих этот процесс.

при которой производится деформация кристалла.

При np n0, np na X Таким образом, электронные и дырочные центры являются своеобразными ”энергетическими” метками, ис- Wan0np WXn0 np a X na =, nX =, следуя взаимодействие с которыми можно определить Wan0 + WXn0 Wan0 + WXna X a X энергетические характеристики дислокаций в щелочногалоидных кристаллах. где n0, n0 —число Me+- и X-центров; Wa, WX —вероa X В ЩГК известно около 30 типов различных центров, ятности захвата дырок Me+- и X-центрами; np —число определены их энергетические характеристики. При ис- дырок, na, nX —число Me+- и X+-центров.

следовании взаимодействия дислокаций с электронными Если Wan0 WXn0, то na np, т. е. практически все a X и дырочными центрами выбирались простейшие типы дырки захватываются Me+-центрами. При np > n0 + na X центров, которые не влияют на движение дислокаций. заполняются все X- и Me+-центры.

Варьируя температуру, при которой вводились центры, Если np > n0, np - n0 < n0, но (np - n0)Wa/WX >n0, a a X a X концентрацию примесей (Cu, Tl, Ag, In), а также дозу то дырки вначале захватываются Me+-центрами, а затем облучения, мы могли контролируемым образом вводить распределяются между X- и Me+-ионами. Их конечные электронные F-центры и дырочные VK, Cu++, Tl++, концентрации nX np - n0; na n0.

a a Ag++, In++-центры [1]. Электронные и дырочные цен- Таким образом, меняя дозу облучения (np) и контры создавались при облучении кристаллов на источнике центрацию активатора na, можно в широких пределах -квантов Co60. изменять число Me+- и X+-центров.

Облучение при 300 K создает электронные F-центры. Исследования взаимодействия дислокаций с электронДырки (p) в кристаллах, легированных одной при- ными центрами проводились, как правило, в условиях, месью (Me+), распределяются между активаторны- когда Wan0 WXn0, а с дырочными, когда Wan0 < WXn0.

a X a X ми Me+-центрами и мелкими, оптически неактивными При легировании образца двумя примесями (Me+ и X-центрами. Число X+ (Xp)- и Me++ (Me+p)-центров Me+) их концентрации n0 и n0 подбирались так, чтобы 2 a1 aвыполнялось условие: Wain0 WXn0 (i = 1, 2). В этом ai X случае дырки будут распределяться между активаторными Me+- и Me+-центрами. Схематически расположение 1 некоторых центров в зонной схеме кристалла представлено на рис. 2.

В настоящей работе энергетические характеристики дислокаций будут определяться с использованием полученных нами в работах [1,2,4,5,10,11] экспериментальных данных.

2. Взаимодействие дислокаций с электронными центрами Рис. 1. Схематическое расположение электронных (ЕС) и дырочных (НС) центров относительно дислокационных зон.

Исследование контура F-полосы поглощения до и поa — захват дислокацией электронов и дырок не требует сле деформации показало, что пластическая деформация активации. b — захват дислокацией электронов и дырок — термически активируемый процесс. приводит к уменьшению количества F-центров — ”проФизика твердого тела, 1999, том 41, вып. Дислокационная спектроскопия кристаллов светлению” кристалла [2,3]. Изменение числа F-центров Таблица 1. Энергия активации ДЛ (U) и энергия связи электрона на дислокации (Ue). Точность определения U -0.01 eV в зависимости от степени деформации представлено на рис. 3. Как видно из рисунка, по крайней мере, до 8% Кристалл Активатор U, eV Ue, eV в исследованных нами кристаллах наблюдается линейная KCl Cu 0.зависимость между числом уничтоженных F-центров и Ag 0.величиной деформации. Поскольку пластическая дефорTl 0.78 2.мация обусловлена движением дислокаций, то разрушеСпециально 0.06-0.ние F-центров — результат взаимодействия дислокаций нелегирован (D) с F-центрами. Схематически этот процесс можно KBr Cu 0.13 1.описать следующим образом: D + F ed, где ed — NaCl Cu 0.11 2.электрон, захваченный дислокацией.

KI Tl 0.05 1.В соответствии с высказанными выше представленияLiF Специально 0.1 4.ми для определения положения электронной дислокаци- нелегирован онной зоны в зонной схеме кристалла, необходимо иссле Примечание. Данные, полученные в работе [3], остальные — из довать температурную зависимость числа уничтоженных работы [10].

дислокациями F-центров NF =N(T ).

Однако NF быстро уменьшается при понижении T, и так как уже при T = 300 K NF мало, то измеретемпературы (табл. 1) ние температурной зависимости NF возможно с большой погрешностью. Более точный характер изменения J = J0 exp(-U/kT).

NF = N(T ) можно определить по измерению темКак следует из таблицы, энергия активации U для пературной зависимости люминесценции, возникающей данного типа кристалла не изменяется при замене актипри деформации легированных Me+-ионами окрашенных ватора, хотя энергетические положения уровней активаЩГК. Деформационная люминесценция (ДЛ) протекает торов Ag, Cu, Tl различны. Это позволяет сделать вывод в два этапа о том, что только первый этап ДЛ — процесс взаимодей1) D + F ed, ствия дислокаций с F-центрами — является термически + 2) ed + Me++ (Me+) Me+ + hMe. (1) активируемым процессом и определяет температурную зависимость ДЛ. Поэтому экспериментально опредеНа первом этапе, уже обсуждавшемся выше, дислоленная энергия активации U соответствует разности кации захватывают электроны, которые затем рекомбиэнергий между состояними электрона на F-центре (UF) нируют с дырками, локализованными на Me+-центрах, и дислокации (UE) U=UF - UE. Значит, электронная возбуждая внутрицентровую люминесценцию активатодислокационная зона расположена на U выше уровня + ра (hMe ).

F-центра (табл. 1).

Для всех исследованных кристаллов интенсивность ДЛ (J) экспоненциально уменьшается при понижении 3. Эффективный радиус взаимодействия дислокаций с F-центрами Число F-центров, разрушенных движущимися дислокациями (NF), определяется соотношением NF = SrFNF, (2) где S — площадь, обметаемая дислокациями; rF — эффективный радиус взаимодействия дислокаций с F-центрами; NF — концентрация F-центров. Поскольку величина пластической деформации = Sb/2, (3) где b — вектор Бюргерса дислокации, — объем кристалла, то из (2) и (3) находим Рис. 3. Изменение числа F-центров в зависимости от степени деформации кристаллов KCl, облученных на источнике rF = bNF/2NF. (4) -квантов Co60 (доза 2 105 rad) при 300 K. Светлые символы — данные, полученные в [1,2]. Темные — полученные в [3]. Значения rF при разных представлены в табл. 2 [10].

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 2142 С.З. Шмурак Таблица 2. Зависимость эффективного радиуса разрушения к Me+-центрам (второй этап ДС).

дислокациями F-центров от величины деформации для кристаллов KCl при 300 K 1) D + P+ P + Dp,, % 0.3 0.4 0.6 0.8 0.9 1.5 2.1 3 3.8 4.1 7.8 2) Dp + Me+ Me++ + D. (6) rF/b 0.9 0.8 1.0 1.1 0.8 0.9 0.8 1 1.0 0.9 0.9 0.Число рожденных при деформации Me+-центров определялось по описанной в [11] методике. Производилась Примечание. Точность определения rF /b = 20%, регистрация числа квантов света (N), изученных в поNF = 3 1016 cm-3.

лосе, соответствующей свечению активатора, при освещении деформированного образца светом до тех пор, Таблица 3. Зависимость относительного числа рожденных пока интенсивность активаторного свечения, стимулироMe++-центров (Na) в кристаллах KCl–Ag и KCl–Cu от темванного F-светом, не достигала исходного значения — до пературы деформации. Очевидно, что число возникающих при деT, K 300 250 200 180 150 формации Me++-центров при использовании описанной методики равно Na = N-1, где — квантовый выход NAg, отн. ед. 1 0.9 1.1 1.05 1 0.внутрицентровой люминесценции.

NCu, отн. ед. 1 1.2 1.07 1.2 1 Исследование температурной зависимости ДС — чиПримечание. Точность определения Na — 20%.

сла рожденных при деформации Me++-центров — показало, что для кристаллов KBr–Cu, Kl–Tl, а также KCl–Cu и KCl–Ag процесс ДС в интервале температур 77–300 K Как следует из таблицы, величина rF в пределах не зависит от температуры (табл. 3).

точности эксперимента не зависит от и равна примерно В то же время в кристаллах KCl, легированных Tl постоянной решетки при 300 K. Таким образом, при коми In, число рожденных при деформации Me++-центров натной температуре дислокации захватывают электроны экспоненциально уменьшается при понижении T (рис. 4).

из F-центров в электронную дислокационную зону из Энергия активации ДС для кристаллов KCl–Tl и KCl–In области с поперечным сечением, равным примерно поравна соответственно 0.06 и 0.045 ± 0.020 eV.

стоянной решетки.

В соответствии с развитыми выше соображениями на основании температурных зависимостей ДС можно определить положение дырочной дислокационной зоны 4. Взаимодействие дислокаций (ДДЗ) в зонной схеме кристалла. ДДЗ расположена ниже уровней Cu+- и Ag+-центров и выше уровней Tl+- и с дырочными центрами In+-центров на 0.06 и 0.045 eV.

Pages:     || 2 | 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.