Радиационные процессы в ионных кристаллах (KYR1)

Посмотреть архив целиком

РАДИАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ИОННЫХ KPИСТАЛЛАХ

§2.1. Оптическое возбуждение ионных кристаллов 11.14-16]

Под оптическим излучением понимается электромагнитное излучение с длинами волн, расположенными в диапазоне от 0,01 нм (эВ)до 10мм (эВ) [18]. Указанный диапазон электромагнитных волн охватывает в основном инфракрасное, види­мое, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Хотя эти виды излучений весьма сильно различаются между собой по свойствам, природе излучателей и способы регистрации, тем не менее для всех их общим является то, что для них современная техника поз­воляет формировать достаточно направленные потоки волн и, сле­довательно, с помощь» их можно еще получать «изображение» пред­метов. Ниже будет идти речь о возбуждении кристаллов в основном оптическим излучением.

При облучении кристаллов квантами электромагнитного излуче­ния и частицами (например, электронами) в широком диапазоне энергий можно осуществить возбуждение электронной и ядерной подсистем кристалла [14-16). В идеальном ионном кристалле в области энергий квантов 10 - 10» эВ наблюдается поглощение из­лучения, сопровождающееся возбуждением колебаний кристалличес­кой решетки (созданием фотонов); в области энергии эВ наблюдается поглощение, соответствующее возбуждению электронной подсистемы кристалла (созданию электронных возбуждений ); в об­ласти еще больших значений энергии могут осуществляться возбуж­дения ядер.

В реальном кристалле с собственными и примесными дефектами наблюдаются еще относительно слабые полосы поглощения в фотонной области и в области электронных возбуждений, обусловленные наличием этих дефектов.

Щелочно-галоидные соединения обладают широкими зонами запрещенных значений энергии (например, для ,NaCl= 8,6 эВ). Благодаря этому чистые ЩГК оптически прозрачны в широком спектральном диапа­зоне, включающем всю видимую и близкую инфракрасную область, а также значительную часть ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Эти кристаллы поглощают излучение с длинами волн в основном ко­роче 210 нм ( > 5,9 эВ). Показатель поглощения в максимумах полос достигает значений . Столь большие значения показателя поглощения свидетельствуют о том, что это поглощение связано не с дефектами кристалла, а с возбуждением соб­ственных ионов, входящих в состав кристалла.

Спектральное положение наиболее интенсивного максимума (рис.2.1) зависит от природы аниона. Кроме того, при облучении кристалла излучением из области этой полосы поглощения кристалл практически не приобретает свойство фотопроводимости (см.: [17] , с.7). На основании этих фактов сделан вывод, что наиболее интен­сивный максимум в спектре поглощения обусловлен созданием бестоковых подвижных электронных возбуждений - низкоэнергетических анионных экситонов (е°). Аннонный экситон в момент его рождения можно представить себе как возбужденное состояние аниона ()* (§2.2).

Характерная ступенька в спектре поглощения, следующая за максимумом е°, обусловлена началом оптических переходов элект­ронов из валентной зоны в зону проводимости, приводящих к созда­нию электронно-дырочных пар ( - возбуждений). При этом происходит ионизация анионов (X») и переход электронов к катио­нам (), кристалл становится токопроводящим.

При энергиях квантов, превышающих ширину запрещенной зоны ( ), в спектре оптического поглощения наблюдается боль-вое число резких и размытых максимумов, налагающихся на относительно плавно изменяющийся «фон». Резкие максимумы обусловлены высокоэнергетическими анионными экситонами, а фон отражает структуру валентной зоны и зоны проводимости и соответствует рождению электронно-дырочных пар.

В ионных кристаллах существуют и катионные экситоны. Энергия возбуждения свободных ионов щелочных металлов имеют в эВ следующие значения: ;; (см.:[16] c.29, с.29). В этих областях спектра обнаружены узкие, хорошо выраженные максимумы, характерные для каждого из катионов и слабо зависящие от анионов.

Поглощение оптического излучения, связанное с образованием в кристалле экситонов и электронно-дырочных пар, называется соб­ственным или фундаментальным поглощением.

При наличии в кристалле примесных дефектов (в люминесцирующие кристаллы активирующая примесь обычно вводится преднамерен­но, § 3.2) в запрещенной зоне энергии возникают локальные уровни E1, и E2, (рис. 1.8), соответствующие основному и возбужденное состояниям примесного центра. Локальным электронным возбуждениям соответствуют полосы поглощения l (рис. 2.1).

При возбуждении ионных кристаллов квантами электромагнитно­го излучения большой энергии (рентгеновское, -излучение) в них протекают сложные процессы, которые схематично могут быть описаны следующим образом [14,16]. В результате первичного акта взаимодействия ионизирующей радиации с кристаллом в нем за вре­мя порядка ~c возникают электроны большой энергии ( ); создающие в кристалле каскады вторичных электронов (рис. 2.2). В результате неизвестных пока процессов за время c. эти электроны создают нестабильные возбуждения кристаллической решетки, называемые резонансами (r), которые в течение c. распадаются на стабильные элементарные возбуждения (S )

При возбуждении кристалла медленными электронами и фотонами с энергией порядка ширины запрещенной зоны сразу создаются t -возбуждения или S -возбувдения (в зависимости от энергии возбуж­дающих частиц).

В ЩГК имеется два вида S -возбуждений : электронно-дырочные

дары и низкоэнергетические анионные экситоны. Роль этих элемен­тарных электронных возбуждении в радиационных и люминесцентных процессах чрезвычайно велика. Именно они определяют процессы изменения химического состояния ионов примеси и ионов, образую­щих решетку кристалла, процессы накопления и распада различных радиационных дефектов (§§ 2.3; 2.4). Мигрируя по кристаллической решетке, S -возбуждения передают своп энергию (порядка ширины запрещенной зоны)центрам свечения, создавая локализованные воз­бужденные состояния, которые разрушаются с испусканием квантов люминесценции или безызлучательно (с испусканием фононов) (§ 3.5; 3,6).

Электронные возбуждения - один из видов нарушений (дефектов) идеальной кристаллической решетки. В самом деле, в идеальном ионном кристалле частично заполненные энергетические зоны от­сутствуют. Следовательно, появившийся свободный электрон в зо­не проводимости является одним из дефектов. Аналогично обстоит дело и в случае появления незанятого электроном квантового со­стояния (дырки) в валентной зоне.

§2.2. Нерелаксированные и релаксированные электронные возбуждения в щелочно-галоидчых кристаллах (10,12,17,19-31]

Как показано в §2.1, основными электронными возбуждениями в Щга являются стабильные возбуждения типа электронно-дырочных пар и низкоэнергетических анионных экситонов. Рассмотрим их воз­можные состояния и свойства.

При поглощении кристаллом кванта света достаточной энергии () совершается переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, возникает нерелаксированное электронное возбуж­дение - зонный электрон, свойства которого определяются в конечном итоге структурой .зоны проводимости. За время с. электрон, сильно взаимодействуя с колебаниями решетки (с фонона-ми), релаксирует, т.е. переходит в равновесное состояние. Движу­щийся электрон вызывает поляризацию своего непосредствонного ок­ружения, т.е. относительное смещение положительных и отрицатель­ных ионов решетки. Электрон, двигаясь по решетке, увлекает за собой состояние поляризации окружения. Электрон проводимости в ионном кристалле часто называют поляроном. Хотя поляронный эф­фект для электронов имеет место, тем не менее они мигрируют на­столько быстро, что вызываемая ими инерционная поляризация ок­ружающей кристаллической решетки не успевает развиться в такой степени, чтобы сильно замедлить движение электронов. Электроны остаются подвижными вплоть до; температуры жидкого гелия. Локализация электронов в регулярных узлах кристаллической решетки (самозахват, автолокализация) не обнаружена. Как нерелаксирован­ное так и релаксированное (поляронное) состояния электрона яв­ляются состояниями зонного типа. Это не означает, конечно, что свойства "горячих" электронов, имеющих энергию в несколько элокт-ронвольт, не могут отличаться от свойств тепловых электронов. Горячий электрон в ЩГК может иметь весьма интересные свойства, учитываемые, в частности, в теориях электрического пробоя ЦГК, а в последнее время и в люминесцентных явлениях (см.: ра], с.7). Поскольку различия в свойствах релаксированного и нерелаксирован-ного состояний электрона выражены слабо, они изучены пока зна­чительно 'хуже, чем соответствующие различия для дырок и экситонов ([20],c.37).

При облучении ЩГК светом из области переходов зона-зона про­исходит ионизация иона галоида (). В начальный момент в валент­ной зоне образуется дырка, обладающая запасом кинетической энер­гии относительно потолка зоны ("горячая" дырка). Перемещаясь по кристаллу, дырка отдает избыток энергии кристаллу (релаксирует) и "всплывает" к потолку валентной зоны. Атом галоида (Х°) неус­тойчив и в процессе релаксации образует с соседним ионом мо­лекулярный ион . Образование вида при достаточно низких температурах стабильно и ориентировано в направлении < 110> р гранецентрированных кристаллах. Расстояние между ядре т галои­дов, входящих в состав - центра, называемого обычно Vk- цент­ром, уменьшается на 30-40%, однако они по-прежнему занимают два анионных узла (рис. 2.3). В данном случае имеет место локализация образующейся при облучении зонной дырки на двух ионах галоида, т.е. автолокализация дырки. Одновременная локализация электро». нон ча дефектах кристаллической решетки прэдотвращаат их рекомбинацию с автолокализоовными дырками и делает возможным дли-дельное существование Vk - центров.

Образовавшаяся при облучении дырка проходит до полной релак­сации (автолокализации) некоторое расстояние. Если такая не пол­ностью релансированная дырка встречает на пути ион активирую­щей примеси , то она может захватиться им и образовать - центр. Пробег дырка до полной релаксации может быть значитель­ным ( ~100 а, где а - постоянная решетки).


Случайные файлы

Файл
17670.rtf
72715.rtf
10578-1.rtf
730-1.rtf
16000.doc




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.