Активаторні центри забарвлення в кристалах SrCl2:TlCl

Размещено на http://www.allbest.ru/

Львівський національний університет імені Івана Франка

УДК 535.343.2; 535.548

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Активаторні центри забарвлення в кристалах SrCl2:TlCl

01.04.10 - Фізика напівпровідників і діелектриків

Салапак Володимир Михайлович

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізики Українського державного лісотехнічного університету

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук,

доцент Чорній Зиновій Павлович,

професор Українського державного лісотехнічного університету

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Носенко Анатолій Єрофеєвич, професор Львівського національного університету імені Івана Франка

кандидат фізико-математичних наук, доцент Лахоцький Теодор Васильович, доцент Державного університету “Львівська політехніка”

Провідна установа: Національний університет імені Тараса Шевченка (кафедра оптики)

Захист відбудеться 14 червня 2000 р. о 15 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.35.051.09 у Львівському національному університеті імені Івана Франка за адресою: 79005, м. Львів, вул. Драгоманова, 50, ауд. №1.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Львівського національного університету імені Івана Франка за адресою: 79005, м.Львів, вул. Драгоманова, 5.

Автореферат розісланий 12 травня 2000 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор фіз.-мат.наук, професор Блажиєвський Л.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

кристал стронцій талій забарвлення

Актуальність теми.

Радіаційна фізика твердого тіла дала техніці могутню зброю - радіаційну технологію модифікації матеріалів з метою надання їм тих або інших потрібних властивостей. У 1974 році Молленауер і Олсон виявили, що деякі центри забарвлення в лужно-галоїдних кристалах, які мають люмінесценцію зі значним стоксовим зсувом стосовно спряженої смуги поглинання, дають стимульоване випромінювання і можуть бути використані як активні центри в кристалічних лазерах із перестроюваною частотою випромінювання.

Зокрема в матрицях KCl i KBr дієздатними при 300 К виявилися центри забарвлення, які отримали назву Tlo(1)-центрів. Лазери, активними елементами яких є згадані кристали, дають випромінювання в області 1,4_1,6 мкм. Однак, у вирощених із розплаву кристалах KCl:TlCl і KBr:TlBr необхідні для створення Tlo(1)-центрів Tlc+Va+-асоціати практично відсутні. Тому процедура генерації лазерно активних Tlo(1)-центрів складається з опромінення кристала і наступних термічних обробок і оптичних підсвіток. Таким чином постає питання пошуку матеріалів, у яких би лазерно активні Tlo-центри генерувалися лише опроміненням кристалів без використання додаткових процедур.

Ще одна з проблем, що виникає при розробці кристалічних лазерів з перестроюваною частотою полягає в тому, що звичайні радіаційні технології, крім необхідних активних центрів, створюють, як правило, й інші центри забарвлення, наявність яких в тій або іншій мірі перешкоджає ідеальній роботі кристалічного лазера. Тому ведеться пошук таких радіаційних технологій і матеріалів, які дозволяли б створити в кристалах потрібний сорт центрів забарвлення без створення інших пасивних або шкідливих центрів.

У зв'язку з цим, метою дисертаційної роботи було вивчення структури талієвих центрів забарвлення в активованих кристалах SrCl2, їх оптичних характеристик, ролі іонних процесів у механізмі радіаційного утворення, фото- і термоіндукованих перетворень центрів забарвлення.

Для досягнення мети необхідно було розв'язати наступні задачі:

синтезувати кристали хлористого стронцію, леговані іонами талію та співактиваторами (європій і лужні метали);

визначити характер входження іонів талію в гратку кристала, їх концентрацію, кількісні параметри, що характеризують локальну і просторову міграцію аніонних вакансій;

визначити просторову орієнтацію електричних диполів талієвих центрів забарвлення;

розкрити специфіки механізмів генерації талієвих центрів забарвлення та їх термо- і фотостимульованих перетворень;

вивчити залежності ефективностей нагромадження центрів забарвлення і рекомбінаційних процесів від температури опромінення кристала;

визначити структуру активаторних центрів забарвлення.

Наукова новизна.

Вперше виконано комплексне дослідження оптичних і електричних характеристик кристалів SrCl2, легованих іонами талію. Результати досліджень дали можливість уперше:

довести, що іони талію входять у гратку кристала SrCl2 як домішково-вакансійні диполі;

показати, що незалежно від температури опромінення кристала, первинними центрами забарвлення є Tlo(1)- і Tl2+(1)-центри, які генеруються при захопленні електронів і дірок домішково-вакансійними диполями (ДВД);

показати, що при T > 150 K відбувається перетворення талієвих центрів забарвлення шляхом відходу аніонної вакансії від Tl2+-центра та локалізації останньої біля Tlo(1)-центра;

встановити, що при T > 180 К внаслідок захоплення F-центрів Tlo(2)-центрами генеруються високотемпературні центри забарвлення;

визначити спектри наведеного поглинання кристала SrCl2 в області 220-1200 нм в температурному діапазоні 80-400 К; інтерпретувати три довгохвильові смуги поглинання Tlo(1)-центрів;

визначити механізми рекомбінаційних процесів та ідентифікувати спектри рекомбінаційної люмінесценції.

Практичне значення одержаних результатів.

Виявлені в роботі Tlo(1)- i Tlo(2)-центри з лазерно активною структурою можуть бути використані для створення оптичних квантових генераторів, де в якості активного елемента виступають забарвлені кристали SrCl2:TlCl.

Особистий внесок дисертанта.

Автор дисертаційної роботи виконав експериментальну частину роботи. Розрахував енергетичні параметри процесів термостимульованих перетворень і термоактивованого руйнування центрів забарвлення. Брав участь у обговоренні й інтерпретації результатів досліджень, написанні статей і доповідей.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародній конференції з екситонних процесів в конденсованому середовищі (Австралія, Дарвін, 1994); II Міжнародному симпозіумі по люмінесцентних детекторах та перетворювачах іонізуючого випромінювання (Естонія, Талін, 1994); Міжнародній науковій конференції присвяченій 150-річчю від дня народження Івана Пулюя (Україна, Львів, 1995); Міжнародній конференції з неорганічних сцинтиляторів і їх застосування (Нідерланди, 1995); IX міжнародній конференції з радіаційної фізики і хімії неорганічних матеріалів (Росія, Томськ, 1996); IIІ Міжнародному симпозіумі по люмінесцентних детекторах та перетворювачах іонізуючого випромінювання (Польща, Устронь, 1997); X Міжнародній конференції з радіаційних ефектів в діелектриках (Німеччина, Джена, 1999); X міжнародній конференції з радіаційної фізики і хімії неорганічних матеріалів (Росія,Томськ, 1999)

Публікації: за матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 20 праць, з яких 8 основних наведено в кінці автореферату.

Структура і об'єм дисертації.

Дисертаційна робота включає: вступ, п'ять розділів і висновки, які викладені на 105 сторінках машинописного тексту; 58 рисунків і список літературних джерел, який налічує 181 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначена мета роботи, її наукова новизна та практична цінність, подано інформацію про апробацію роботи, публікації автора, структуру і обсяг дисертації та коротко викладено зміст дисертації за розділами.

У першому розділі подано огляд наукової літератури, що стосується талієвих центрів забарвлення в кристалах лужних галогенідів і галогенідів лужних земель. Якщо в лужно-галоїдних кристалах талієві центри забарвлення вивченні як методами оптичної, так і ЕПР-спектроскопії, то в кристалах галогенідів двовалентних металів вивчення таких центрів лише розпочалося.

Методики очистки сировини та вирощування легованих кристалів, специфіка методів експериментальних досліджень і обробки результатів наведені у другому розділі.

У третьому розділі подаються результати проведених нами електричних і оптичних досліджень неопромінених і забарвлених при температурах Т < 150 К кристалів SrCl2:TlCl.

Виходячи з аналізу кривої струмів термостимульованої деполяризації (ТСД) (рис.1, крива 1) та спектра активаторного поглинання (рис.2, крива 1) встановлено, що іони талію входять у гратку кристала як ізольовані Tl+Va+-домішково-вакансійні диполі (ДВД) (рис.3а).

При температурах, нижчих за 107 К, домішково-вакансійні диполі “вморожені” в гратку кристала. При Т > 107 К аніонна вакансія здійснює ротаційний рух в околі іона талію, перескакуючи по восьми еквівалентних позиціях (цей процес зумовлює виникнення першого максимуму струмів ТСД, енергія його активації складає 0,24 еВ). В околі температур 215 К має місце термодисоціація диполів:

Tl+Va+ Tl+ + Va+. (1)

Енергія активації цього процесу складає 0,46 еВ і він зумовлює виникнення другого максимуму на термограмі ТСД, який на два порядки інтенсивніший за перший.

Одночасно має місце перебіг зворотної реакції рекомбінації ефективно заряджених Tl+-іонів і аніонних вакансій Va+, у результаті чого встановлюється динамічна рівновага.

Як наслідок пониження симетрії гратки в околі Tl+-іона А-смуга поглинання іона талію розщеплюється на дві з максимумами при 5,30 еВ (234 нм) і 5,03 еВ (247 нм).

При опроміненні кристалів SrCl2:TlCl Х-радіацією внаслідок локалізації дірок і електронів на іонах активатора генеруються талієві діркові й електронні центри забарвлення (рис.3в,д), які володіють С3V-симетрією:

Tl+Va+ + е- TloVa+ Tlo(1); (2)

Tl+Va+ + е+ Tl2+Va+ Tl2+(1). (3)

У результаті перебігу цих реакцій концентрація Tl+Va+-центрів зменшується і на стадії насичення забарвлення кристала складає приблизно 80 % від початкової, що зумовлює зменшення інтенсивності максимуму струмів ТСД при 107 К, пов'язаного з реорієнтацією ДВД.

Поглинанню Tlo(1)-центрів відповідає низка смуг з максимумами при 4,89; 4,43; 3,10; 2,32; 1,81 і 1,39 еВ (254, 280, 400, 535, 685 і 890 нм, крива 2). За допомогою поляризаційних вимірювань встановлено, що смуги поглинання 535 і 890 нм поляризовані вздовж осі Tlo(1)-центра (-переходи), а смуга поглинання 685 нм - в перпендикулярному плані (-переходи).

Дослідження термозне-барвлення Tlo(1)-смуг поглинання методом виходу стимульованої люмінесценції виявило, що в кристалах SrCl2:TlCl Tlo(1)-центри зникають при температурі 150 К .

Четвертий розділ присвячений дослідженню: рекомбінаційних процесів, взаємоперетворення центрів забарвлення, ефективностей їх нагромадження й ефекту радіаційної пам'яті.

Ефективний електричний заряд Tlo(1)- і Tl2+(1)-центрів стосовно гратки кристала зумовлює ефективний перебіг при температурах, нижчих за 150 К, рекомбінаційних процесів, які супроводжуються люмінесценцією, спектр якої складається з двох смуг з максимумами 380 і 480 нм. Смуга 380 нм також спостерігається як у спектрі рекомбінаційної люмінесценції, збудженої у смузі поглинання Tlo(1)-центрів з максимумом 535 нм, так і у спектрі фотолюмінесценції, збудженої у смугах поглинання 234 і 247 нм Tl+Va+-центрів (рис.6, крива 2). Свічення з максимумом 380 нм зумовлене рекомбінацією електронів з Tl2+Va+-центрами:

е- + Tl2+Va+ Tl+Va+ + h380. (4)

Смуга 480 нм (крива 3) також спостерігається в спектрі фосфоресценції кристала й у спектрі термостимульованої люмінесценції, що зумовлено рекомбінацією мобільних дірок з Tlo(1)-центрами:

е+ + TloVa+ Tl+Va+ + h480. (5)

У результаті перебігу реакцій (4) і (5) відновлюються дорадіаційні дефекти - Tl+Va+-домішково-вакансійні диполі.

При температурах, вищих за 150 К, аніонна вакансія, що вже не утримується іоном талію в Tl2+Va+-центрі кулонівськими силами, може відходити від останнього, в результаті чого ефективно заряджені стосовно гратки кристала Tl2+Va+-центри термодисоціюють і дірковий талієвий центр набуває електронейтральної структури:

Tl2+Va+ Tl2+ + Va+. (6)

У результаті цього утворюється іон Tl2+, який ізовалентний катіону основи - іону Sr2+, і мобільна аніонна вакансія. Цей процес супроводжується виникненням струмів термостимульованої поляризації з максимумом при 150 К. Енергія активації процесу дисоціації Tl2+Va+-центрів складає 0,32 еВ.

Мобільна аніонна вакансія, що утворюється внаслідок перебігу реакції (6), володіє ефективним позитивним електричним зарядом і локалізується біля негативно зярядженого Tlo(1)-центра:

Va+ + TloVa+ Tlo2Va+ Tlo(2). (7)

У результаті перебігу цієї реакції генеруються Tlo(2)-центри. Цим центрам забарвлення відповідають смуги поглинання з максимумами при 5,17; 4,43; 2,89; 1,72 i 1,38 еВ (240, 280, 430, 720 і 900 нм;. Слід зазначити, що спектр наведеного поглинання не залежить від того, чи кристал опромінювали при низьких температурах і відігрівали до 150 К, чи опромінювали при цій температурі. Відмінність полягає лише в інтенсивності забарвлення.

Перетворення (6) і (7) супроводжуються різким зростанням ефективності нагромадження центрів забарвлення у кристалі SrCl2:TlCl (рис.5, крива 3) і різким спадом ефективності перебігу рекомбінаційних процесів (реакції (4) і (5);. Ці ефекти зумовлені тим, що внаслідок іонної релаксації заряджені стосовно гратки кристала [Tlo(1)-Tl2+(1)]-комплементарні дефекти набувають електронейтральної структури [Tlo(2)-Tl2+]. При температурі 300 К руйнується до 80 % домішково-вакансійних диполів.

У кристалах SrCl2:TlCl,EuCl3 з концентрацією європію більшою або сумірною концентрації талію перетворення Tlo(1)Tlo(2) відбувається при температурах, на 30-40 К вищих, аніж у кристалах SrCl2:TlCl (рис.5, криві 2,4). Це пов'язано з тим, що в цих кристалах іони європію ефективніше за іони талію захоплюють дірки:

Eu2+ + е+ Eu3+,

у результаті чого ефективність перебігу реакції (7) є низькою. В цьому випадку вільні аніонні вакансії, які необхідні для перебігу Tlo(1)Tlo(2) перетворення, виникають і стають рухливими при температурах, вищих за 180 К, в результаті перебігу реакції (1).

Одночасно з реакцією (7) (локалізацією аніонних вакансій біля Tlo(1)-центрів) мобільні аніонні вакансії, що утворюються в результаті перебігу реакції (6), можуть локалізуватися біля електронейтральних Tl+Va+-домішково-вакансійних диполів:

Va+ + Tl+Va+ Tl+2Va+. (8)

У результаті цього генеруються ефективно заряджені Tl+2Va+-домішково-вакансійні асоціати. Термічна стабільність останніх є нижчою за термічну стабільність ДВД, і при температурі 165 К вони дисоціюють на Tl+Va+ -домішково-вакансійні диполі і Va+-аніонні вакансії. Цей процес супроводжується виникненням струмів термостимульованої поляризації з максимумом при 165 К (рис.7), а його енергія активації складає 0,38 еВ. Мобільні вакансії, що звільнилися в результаті дисоціації Tl+2Va+-комплексів, захоплюються Tlo(1)-центрами (див. реакцію 7).

Співвідношення ефективностей перебігу реакцій (7) і (8) залежить від співвідношення концентрації Tl+Va+-диполів і концентрації Tlo(1)-центрів (остання залежить від дози опромінення кристала). При незначній концентрації Tlo(1)-центрів (мала доза опромінення; майже всі аніонні вакансії, звільнені при 150 К, локалізуються біля ДВД (реакція (8)) і лише після дисоціації Tl+2Va+-асоціатів вакансії локалізуються біля Tlo(1)-центрів (реакція (7)). При зростанні концентрації Tlo(1)-центрів ефективність захоплення ними вакансій зростає.

В кристалах SrCl2:TlCl виявлено ефект радіаційної пам'яті. Якщо Х-опромінений при температурах, вищих за 150 К, кристал фотознебарвити при температурі рідкого азоту, то в результаті цього утвориться значна концентрація Tl+2Va+-асоціатів і Tl+-іонів. Ці центри володіють ефективним електричним зарядом і при повторному опроміненні кристала ефективно захоплюють електрони та дірки, відповідно. Тому на відміну від звичайного низькотемпературного опромінення (див. реакції (2) і (3)) ефективно генеруються Tlo(2)- і Tl2+-центри:

Tl+2Va+ + е- Tlo(2) (9), Tl+ + е+ Tl2+. (10)

Ефективність забарвлення кристала з “радіаційною пам'яттю” є в декілька разів вищою порівняно з низькотемпературним забарвленням. При цьому генерується 70 % високотемпературних центрів від знебарвлених. Цей ефект має місце при температурах, нижчих за 180 К (рис.5, крива 6), і його зникнення пов'язане з термічним руйнуванням Tl+2Va+-комплексів.

П'ятий розділ присвячений вивченню талієвих центрів забарвлення, які генеруються в кристалі при температурах, вищих за 180 К.

Tlo(2)-центри термічно стабільні до температури 370 К. Однак в області температур, вищих за 150 К, відбувається зміна оптичних характеристик Tlo(2)-центра - максимуми смуг поглинання зміщуються в ультрафіолетову частину спектра (максимум основної смуги 430 нм зсувається до 405 нм при 300 К). Положення смуг поглинання Tlo(2)-центрів при кімнатній температурі близькі до смуг поглинання Tlo(1)-центрів. Причина цього явища полягає в зміні конфігурації Tlo(2)-центра. А саме: одна з вакансій внаслідок термоактивації може перескакувати в другу координаційну сферу. Тобто має місце (nn)(nnn) перебудова комплексу. Однак, ця перебудова не супроводжується руйнуванням центра і пониження температури відновлює структуру Tlo(2)-центра.

При опроміненні кристала при температурах, вищих за 180 К, крім генерації Tlo(2)- центрів, має місце генерація нових центрів забарвлення. Основна смуга поглинання цих центрів має максимум при 2,59 еВ (480 нм; рис.2, крива 4). Показано, що ці центри виникають внаслідок взаємодії Tlo(2)-центрів з F-центрами. Обговорюються конкретні конфігурації високотемпературних центрів забарвлення.

При відпалі опроміненого кристала SrCl2:TlCl до температури 370 К спостерігається знебарвлення кристала, яке зумовлене електронно-іонною релаксацією електричного заряду.

ВИСНОВКИ

Методами струмів ТСД і оптичної спектроскопії встановлено, що іони талію входять у матрицю кристала SrCl2 у вигляді домішково-вакансійних диполів - Tl+Va+-центрів. Вперше досліджено іонні процеси в цих кристалах. Виявлені максимуми струмів ТСД зумовлені реорієнтацією Tl+(1)-центрів і термодисоціацією Tl2+(1)-, Tl+(2)- і Tl+(1)-центрів.

Вивчено механізм генерації центрів забарвлення в кристалах SrCl2:TlCl та механізм їх термоіндукованих перетворень:

при температурах Т < 150 К (просторовий перенос аніонних вакансій відсутній) радіація генерує в кристалі {Tlo(1)_Tl2+(1)}-комплементарні пари;

при Т > 150 К аніонні вакансії мобільні, має місце релаксація просторового заряду, електрозаряджені Tlo(1)_ і Tl2+(1)-центри перетворюються в електронейтральні Tlo(2) і Tl2+. Термоіндуковані перетворення центрів забарвлення супроводжуються різким зниженням виходу рентгенолюмінесценції та зростанням ефективності забарвлення кристала;

при Т > 180 К в процес іонних перетворень включаються додаткові аніонні вакансії, які виникають у кристалі внаслідок термодисоціації Tl+(1)-центрів. У кристалі генеруються агрегатні тривакансійні активаторні центри забарвлення (аналог RA+-центрів у кристалах флюоритів);

при Т > 370 К внаслідок перебігу електронно-іонних процесів кристал знебарвлюється.

Вперше на кристалах галогенідів двовалентних металів ідентифіковано спектр поглинання Tlo(1)-центрів забарвлення, дано його інтерпретацію, і вперше в іонних кристалах ідентифіковано спектр поглинання Tlо(2)-центрів забарвлення.

Виявлено ефект радіаційної пам'яті у кристалах SrCl2:TlCl.

Вперше досліджено рекомбінаційну люмінесценцію кристалів SrCl2:TlCl і дано інтерпретацію природи смуг люмінесценції.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ПРАЦЯХ

1. Крочук А.С., Чорній З.П., Щур Г.О., Салапак В.М., Говор М.В. Іонні термоструми в радіаційно забарвлених кристалах SrCl2:TlCl // УФЖ. - 1999. - т.44, №11. - С.1428-1433.

2. Крочук А.С., Чорній З.П., Щур Г.О., Салапак В.М., Говор М.В. термоіндуковані перетворення центрів забарвлення в кристалах SrCl2-Tl+-Na+ // Журнал фізичних досліджень. - 1999. - т.3, №2. - С.199-204.

3. Говор М.В., Крочук А.С., Салапак В.М., Чорній З.П., Щур Г.О. Релаксаційні процеси в фотохімічно забарвлених кристалах SrCl2_Tl+ // Вісник Львівського державного університету імені Івана Франка, серія фізична. - 1996. - в.28. - С.62_67.

4. Крочук А.С., Чорній З.П., Щур Г.О., Салапак В.М., Говор М.В. Термоіндуковані перетворення центрів забарвлення в кристалах SrCl2-Tl+,K+ // Вісник Львівського державного університету імені Івана Франка. Серія фізична. - 1998. - в.30. - С.30-34.

5. Чорній З.П., Щур Г.О., Салапак В.М., Качан С.І. Ефект “радіацій-ної пам'яті” в кристалах SrCl2:TlCl // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”. Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв. - 1998. - №343. - С.195-201.

6. Чорній З.П., Щур Г.О., Салапак В.М., Качан С.І. Термодисоціація і агрегація центрів забарвлення у кристалах SrCl2:TlCl // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”. Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв. - 1998. - №343. - С.202-209.

7. Чорній З.П., Качан С.І., Щур Г.О., Салапак В.М. Фотоіндукова-ний дихроїзм МА+-смуг поглинання в кристалах CaF2-Ме+// Вісник Державного університету “Львівська політехніка”. Електроніка. - 1998. - №357. - С.102_112.

8. Чорній З.П., Качан С.І., Щур Г.О., Салапак В.М. Термічний відпал МА+-центрів у кристалах CaF2_Ме+ // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”. Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки. - 1999. - №362. - С.87-93.

Салапак В.М. Активаторні центри забарвлення в кристалах SrCl2:TlCl.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, 2000.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню природи активаторних центрів забарвлення в кристалах SrCl2:TlCl. Методами дослідження струмів термостимульованої поляризації та деполяризації і оптичної спектроскопії встановлено, що іони талію входять у гратку кристала SrCl2 як домішково-вакансійні диполі - Tl+Va+-центри. Виявлені максимуми струмів зумовлені реорієнтацією Tl+(1)-центрів і термодисоціацією Tl2+(1)-, Tl+(2)- і Tl+(1)-центрів. Встановлено структуру центрів забарвлення. При Т < 150 К в Х-опромінених кристалах генеруються Tlo(1)- і Tl2+(1)-центри забарвлення. При температурах Т > 150 К внаслідок міграції аніонних вакансій відбувається термоіндуковане перетворення Tlo(1)- і Tl2+(1)-центрів у електронейтральні Tlo(2)- і Tl2+-центри забарвлення. Досліджено механізми рекомбінаційних процесів і виявлено ефект радіаційної пам'яті в кристалі SrCl2:TlCl.

Ключові слова: домішково-вакансійні диполі, центри забарвлення, спектри поглинання, термостимульована деполяризація.

Салапак В.М. Активаторные центры окраски в кристаллах SrCl2:TlCl. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Львовский национальный университет имени Ивана Франко, Львов, Украина, 2000.

Диссертационная работа посвящена исследованию природы активаторных центров окраски в кристаллах SrCl2:TlCl. Методами исследования токов термостимулированной поляризации и деполяризации и оптической спектроскопии установлено, что ионы таллия входят в решётку кристалла SrCl2 в виде примесно-вакансионных диполей - Tl+Va+-центров. Обнаруженные максимумы токов обусловлены реориентацией Tl+(1)-центров и термодиссоциацией Tl2+(1)-, Tl+(2)- и Tl+(1)-центров. Установлено структуру центров окраски. При Т < 150 К в Х-облучённых кристаллах генерируются Tlo(1)- и Tl2+(1)-центры окраски. При температурах Т > 150 К вследствие миграции анионных вакансий имеет место термоиндуцированное превращение Tlo(1)- и Tl2+(1)-центров в электронейтральные Tlo(2)- и Tl2+-центры окраски. Исследованы механизмы рекомбинационных процессов и обнаружен эффект радиационной памяти в кристалле SrCl2:TlCl.

Ключевые слова: примесно-вакансионные диполи, центры окраски, спектры поглощения, термостимулированная деполяризация.

Salapak V.M Activators colorations centres in SrCl2:TlCl crystals.- Manuscript.

Thesis for the Degree of Candidate of Physics and Mathematics Sciences in speciality 01.04.10 - Physics of Semiconductors and Dielectrics. - Lviv Ivan Franko National University, Lviv, 2000.

Applying the methods of thermostimulated depolarisation and optic spectroscopy it has been concluded that ions of thallium enter into lattice of the SrCl2 crystal as impurity-vacancy dipoles (Tl+Va+-centres). As a result of lowering of the lattice symmetry near Tl+-ion, A-band absorption of Tl+-ion in the SrCl2 crystal splits into two with maxima at 234 and 247 nm.

The ionic processes in these crystals have been investigated for the first time. The found maxima of thermostimulated depolarisation currents at temperature 107, 150, 165 and 215 K are caused by the reorientation of Tl+(1)-centres and thermodissociation of Tl2+(1)-, Tl+(2)- and Tl+(1)-centres.

The mechanism of generation of coloration centres in SrCl2:TlCl crystals and the mechanism of their thermoinductive transformations have been studied. At temperatures T < 150 K, when the ionic vacancies are “frozen” into the crystal lattice, the X-radiation generates {Tlo(1)-Tl2+(1)}- complementary pairs:

Tl+Va+ + е- TloVa+ Tlo(1);

Tl+Va+ + е+ Tl2+Va+ Tl2+(1).

Bands with maxima at 254, 280, 400, 535, 685 and 890 nm correspond to the absorption of Tlo(1)-centres.The effective electric charge Tlo(1)- and Tl2+(1)-centres concerning the crystal lattice predetermines the effective running of the recombination processes at the temperatures lower than 150 K. Those processes are accompanied by luminescence, which spectrum consists of two bands with maxima at 380 and 480 nm. The luminescence with maximum at 380 nm is caused by the recombination of electrons with Tl2+Va+-centres:

е- + Tl2+Va+ Tl+Va+ + h380.

The band at 480 nm is caused by the recombination of the mobile holes with Tlo(1)-centres:

е+ + TloVa+ Tl+Va+ + h480.

As a result of these reactions the before-radiative Tl+Va+-defects are restored.

At T > 150 K anionic vacancies are mobile, the relaxation of the spaced charge takes place and the electrically charged Tlo(1)- and Tl2+(1)-centres are transformed into electrically neutral Tlo(2)- and Tl2+-сentres:

Tl2+Va+ Tl2+ + Va+;

Va+ + TloVa+ Tlo2Va+ Tlo(2).

Bands with maxima at maxima 240, 280, 430, 720 and 900 nm correspond to the absorption of Tlo(2)-centres.

The thermoinductive transformations of the coloration centres at the temperature of 150 K are accompanied by sharp decrease of the Roentgen luminescence output and increase of the crystal coloration effectiveness.

The additional anionic vacancies which appear in the crystal as a result of Tl+(1)-centres thermodissociation at T > 180 K are included in the process of the ionic transformations. The aggregate three-vacant activator coloration centres are generated in the crystal (the analogue of RA+-centres in the crystals of fluorites).

The effect of radioactive memory has been found in SrCl2:TlCl crystals. If crystal, X-irradiated at the temperatures higher than 150 K, is photo decolourised at the temperature of the liquid nitrogen, the considerable concentration of Tl+2Va+- associatives and Tl+-ions are being formed. When the crystal is X-irradiated for the second time Tlo(2)- and Tl2+-centres are effectively generated:

Tl+2Va+ + е- Tlo(2);

Tl+ + е+ Tl2+.

This effect takes place at the temperatures lower than 180 K and its disappearance is caused by thermal nonstability of Tl+2Va+- complexes.

At T > 370 K the crystal is decolourised as the result of the electric-ionic processes.

Key-words: impurity-vacancy dipoles, coloration centres, absorption spectra, thermostimulated depolarisation.

Размещено на Allbest.ru

...