Енергетична структура, релаксація і міграція електронних збуджень у атомарних кріокристалах

Далі в розділі обговорюється процес створення структурних дефектів, які виникають при захопленні електронних збуджень матриці домішковими центрами. Дефектоутворення при автолокалізації у чистих кристалах Ne та Ar було описано у роботі [1]. Нами були отримані експериментальні свідоцтва утворення дефектів при локалізації електронних збуджень матриці Ne та Ar на різних домішкових центрах О, N, Н, С та ін. Експериментально ефект проявився у вигляді багатокомпонентної структури смуг люмінесценції з рідбергівських станів домішкових атомів (рис.6). Спостерігалось виникнення трьох типів компонент “1”, “2” та “d“ поблизу переходу у вільному атомі домішки. Механізм дефектоутворення, як і у випадку власних одновузлових автолокалізованих станів, пов'язаний з негативною роботою виходу електрона. Електронна хмара рідбергівського типу відтискує оточуючі атоми гратниці і створює локальну пружну деформацію. Цьому типу деформації у спектрі відповідає найбільш високоенергетична компонента “2”. Однак пружна деформація оточення супроводжується появою неоднорідних напружень - радіального стиснення та тангенціального відштовхування, причому масштаб зміни першої координаційної сфери може досягати десятків процентів. Перехід атому з щільнопакованого ряду у міжвузлову позицію (утворення пари Френкеля) сприяє релаксації напружень, тобто стає енергетично вигідним локальне підвищення координаційного числа. Цій ситуації відповідає компонента “1”. Слід підкреслити, що така перебудова гратниці пов'язана з подоланням енергетичного бар'єра, що робить можливим співіснування різних варіантів кристалічного оточення, які одночасно виявляються у спектрі (компоненти “2” та “1”). Компонента “d” пов'язана з утворенням значного макродефекта у гратниці. Такі області спостерігались раніше при опромінюванні напівпровідників в результаті низькотемпературної радіаційно-стимульованої агрегатизації одноіменних дефектів [9]. Випромінювання “d”-компонент у домішкових АКК вище за енергією, ніж у чистих. Це свідчить про взаємодію домішкових та дефектних центрів матриці, яка здійснюється за двома напрямками: 1) дифузійне накопичення домішок на дефектах; 2) додаткове дефектоутворення поблизу збуджених домішок.

Ще одним незвичайним проявом масової дифузії та дефектоутворення при збудженні домішкової підсистеми є спостереження випромінювання збуджених домішкових атомів, десорбованих з кристала у вакуум (компонента “0” на рис. 6). Основний експериментальний матеріал з десорбції було отримано для слабоконцентрованих твердих розчинів О₂ у Ne. Інтенсивність десорбції зростала при збільшенні дози опромінювання, або при збільшенні густини струму збуджуючих електронів. Вихід домішкових атомів з кристала у вакуум є наслідком локалізації електронних збуджень матриці на домішковому центрі, розташованому на межі зразка з вакуумом. Локалізація електронних збуджень матриці на поверхневих атомах супроводжується, як і у об'ємі, значним виділенням надлишкової енергії та виникненням відштовхуючих напружень між збудженим центром і оточенням. Під дією цих пружних сил, некомпенсованих з боку вільної поверхні, збуджений атом втрачає зв'язок з кристалом і ежектується у вакуум.

Таким чином, наведені у розділі результати показали високу ефективність радіаційно-стимульованих реакцій у твердих розчинах інертних елементів з молекулярними газами при опромінюванні їх електронами підпорогової енергії. Виявлено ряд індукованих процесів - дисоціація молекул, дифузія фрагментів, дефектоутворення поблизу домішок, десорбція домішок, формування нових сполук. Зроблено оцінку параметрів цих процесів. Визначено енергії зв'язку та між'ядерні відстані у кисневих ексимерних комплексах RО* та R₂⁺О^- і продемонстровано високу ефективність їх формування у твердих бінарних та потрійних розчинах, що показує перспективність використання даного експериментального методу для синтезу нових сполук і комплексів та вивчення їхньої енергетичної структури.

Здійснено узагальнення результатів у рамках єдиного підходу, який враховує відштовхуючу деформаційну взаємодію рідбергівських збуджень з гратницею, що легко деформується, і значне виділення надлишкової енергії. Це дозволило виділити загальну природу радіаційно-стимульованих підпорогових ефектів у домішкових АКК. Особливості підпорогових ефектів обумовлені тільки конкретним типом центрів (одновузлових або двовузлових), які виникають при локалізації електронних збуджень матриці. У випадку одновузлових центрів відштовхувальна взаємодія веде до розвитку сферично симетричної деформації і, якщо енергія деформації перевищує поріг пружності, викликає пластичну перебудову гратниці. У другому випадку виникаюча осьова симетрія деформаційної взаємодії сприяє подоланню потенціального бар'єра для дифузійного стрибка атома у сусідню комірку або у міжвузловину.

У п'ятому розділі “Релаксація і транспорт енергії у кристалах неону” розгля-даються особливості процесів формування, автолокалізації та міграції електронних збуджень у неоні і його твердих розчинах з атомарними та молекулярними домішками. Твердий Ne посідає особливе місце за простотою структури, малістю сил міжатомних взаємодій і є маргінальним між квантовим кристалом гелію та класичними Ван-дер-Ваальсовими кристалами Ar, Kr та Хе. Незвичайні властивості проявляються у динамиці гратниці (її опис лежить на межі застосування теорії пружності) і в її зонній структурі (через малу діелектричну константу виникає сумнів у можливості використання для Ne екситонної моделі у класичному вигляді). На початку розділу стисло проаналізовані оптичні характеристики Ne у різних енергетичних станах. На основі цього аналізу, використовуючи картину рідбергівських серій з квантовим дефектом, який враховує кристалічне поле, встановлено взаємозв'язок атомних (Ne*) та молекулярних (Ne₂*) збуджень у газі з екситонами. Отримано оцінки ширини Г-екситонних зон, а також ефективних мас зонних електронів, дірок і екситонів. Показано, що сильний зв'язок екситонів з локальними коливаннями гратниці призводить до змішування вільних та автолокалізованих станів вже на початковій стадії формування екситонів, а також до суттєвого зниження їхньої рухливості.

Далі розглядаються отримані експериментальні дані зі спектрів люмінесценції та фотозбудження у чистому неоні. З аналізу спектрів фотозбудження люмінесценції, що виникає на переходах з автолокалізованих високоенергетичних 2р⁵3р(3р') та найнижчих 2р⁵3s(3s') квазіатомних станів (див. розділ 2 і [10]), було отримано, що 2р⁵3s(3s')-центри, головним чином, заселяються з екситонних зон Г(ns, ns'), які мають s-симетрію. Люмінесценція 2р⁵3s(3s')-центрів при збудженні кристала вище дна зони провідності Е_g виявилась незначною. Навпаки, заселення 2р⁵3р(3р')-станів відбувається, головним чином, при збудженні неону квантами світла з енергією Е>E_g і тільки частково при збудженні в екситонні зони р-симетрії, Х(3р, 3р'). З цього випливає висновок про співіснування в неоні двох каналів релаксації енергії електронних збуджень, які названі нами “екситонним” та “рекомбінаційним”.

У екситонному каналі відбувається швидка релаксація високоенергетичних (n>1) Г-екситонів у найнижчі (n=1) Г(3s, 3s') екситонні стани з подальшим формуванням 2р⁵3s(3s')- автолокалізованих центрів. Релаксація енергії в екситонному каналі здійснюється у послідовності релаксаційних процесів в середині Г(n>1)-зон і у ході переходів між цими екситонними зонами. У останніх процесах відбувається автолокалізація високоенергетичних (n>1) Г-екситонів з утворенням Nе₂*-високозбуджених зв'язаних квазімолекулярних центрів. На наступному етапі вони дисоціюють по відштовхувальним кривим нестабільних [Nе₂*]-станів, які беруть початок з зон, розташованих нижче. У результаті дії екситонного каналу формується спектр ВУФ випромінення з 2р⁵3s(3s')- квазіатомних центрів.

У рекомбінаційному каналі релаксації заселяються 2р⁵3р(3р')-локалізовані центри. Завдяки властивій кристалам Ne сильній електрон-фононній взаємодії, актам електрон-діркової рекомбінації передує, як відомо [1,5,10], швидка автолокалізація діркових носіїв з утворенням Nе₂⁺-центрів. Тому рекомбінація зарядових частинок, як показано в розділі 2, йде за дисоціативним механізмом, призводячи до заселення квазіатомних 2р⁵3р(3р')- локалізованих центрів. В результаті виникає спектр 2р⁵3р(3р')2р⁵3s(3s')-переходів, який спостерігався нами у видимому діапазоні (ВІД). Слід зазначити, що випромінювальні переходи 2р⁵3р(3р')2р⁵3s(3s') приводять до заселення 2р⁵3s(3s') станів, які за характером кристалічного оточення суттево відрізняються від цих же Ne*-станів, які заселяються в екситонному каналі [11]. Різниця виникає внаслідок збереження у гратниці, після оптичного 2р⁵3p(3p')-2p⁵3s(3s') переходу, р-несферичної деформації. У підсумку рекомбінаційний канал призводить до утворення іншого типу випромінюючих центрів - квазімолекули у стані ^1,3_u (рис.7) та появі у ВУФ спектрі смуги квазімолекулярного типу. Як наслідок, у рекомбінаційному каналі 2р⁵3s(3s') - випромінювальні центри не утворюються. В екситонному каналі, коли 2р⁵3s(3s')-стан заселяється з екситонних зон тієї ж симетрії, несферична деформація відсутня.

Виявлення двох каналів релаксації енергії у твердому неоні, які призводять до двох різних типів квазіатомних центрів, відкрило унікальну можливість діагностики поведінки у твердому неоні зонних та автолокалізованих зарядових носіїв та екситонів. В зв'язку з цим були виконані ретельні вимірювання розподілу інтенсивностей ВУФ та ВІД люмінесценції в залежності від температури зразків. Досліджувались як чисті кристали (рис.8), так і тверді розчини, що містять домішки з різним спорідненням до електрону, а також дефектні зразки. Було встановлено, що ефективність рекомбінаційного каналу, яка визначається інтегральною інтенсивністю ВІД-люмінесценції, різко спадає зі зниженням температури від 6 до 2К (рис.8,9). Ефект не залежить від сорту та концентрації домішок (аж до 10^-1%) і підсилюється у кристалах з малою кількістю власних дефектів. Оскільки локалізація та рухливість дірок від температури не залежать, то сукупність результатів дозволила зробити висновок, що у неоні нарівні з локалізацією дірок у області температур нижче 5К відбувається також локалізація електронів. Локалізація електронів у твердому неоні була підтверджена дослідженням часу згасання власної та домішкової люмінесценції, а також спостереженням термовисвітлювання попередньо опромінених зразків. Після припинення катодоопромінення слабоконцентрованих твердих розчинів (Ne-Xe, Ne-O₂) спостерігалось тривале післясвітіння (як власних, так і домішкових збуджених центрів) із сталою часу, яка перевищує на декілька порядків радіаційний час життя. Це свідчить про надзвичайно низьку рухливість, властиву локалізованим зарядам. Криві загасання люмінесценції для різних переходів виявились подібними. Підвищення температури твердих розчинів, попередньо опромінених, призводило до інтенсивної термолюмінесценції, яка спостерігалась на усіх домішкових смугах і супроводжувалась термоспалахами при Т9К.

Для з'ясування механізму захоплення електрона було виконано напівемпіричні розрахунки стабільності автолокалізованого стану електрона у кристалічному неоні у моделі утворення мікропорожнини навколо негативного заряду, обґрунтованої для твердого Не, а також для рідин Не, Н₂ та Ne [12]. З наших оцінок виходить, що при стабілізації електрона у міжвузловині виникає потенціальна яма, але її глибина незначна (60К при Т=5К) і трохи збільшується з підвищенням температури. Мікропорожнина за своїми розмірами виявляється близькою до мікропорожнини навколо збуджених квазіатомних 2р⁵3s(3s') та 2р⁵3р(3р') -центрів. Однак дуже важливим було питання про рухливість такого автолокалізованого електрона при гелієвих температурах, коли теплові фонони для некогерентних частинок працюють погано. Справа у тому, що наші експерименти надійно показали сильне зменшення рекомбінаційного світіння (майже на порядок), тобто рухливості електрона, у дуже вузькому інтервалі зниження температури від 6 до 2К. У цих умовах потрібен додатковий механізм підсилення локалізації. Такий механізм у гратниці Ne виникає в області температур Т<_D/8 (де _D60К - температура Дебая) і, певно, обумовлений квантовими особливостями цього кристалу. Дійсно, внесок квантових ефектів у динаміку гратниці визначається параметром де-Бура для Ne (0.1) і не є таким вже малим порівняно з гелієм, де 0.45 (у Ar 0.01). Такий великий внесок квантових ефектів, по-перше, означає наявність сильного ангармонізму і, по-друге, забезпечує помітне перекриття хвильових функцій атомів у гратниці та, як наслідок, помітну імовірність тунелювання між сусідніми вузлами, зокрема, вакансій. У цих умовах переміщення негативного заряду у твердому гелії або у твердих розчинах на його основі, контролюється підходом до електрона вакансій і його рухливість залежить від концентрації і швидкості переміщення вакансій. Вакансії у гелії - це зонні частинки, так звані вакансіони, і їхня рухливість різко зростає зі зменшенням температури, оскільки для зонних частинок вплив на рухливість теплових фононів є суттєвим, що обумовлено фононно-індукованою розстройкою вакансійної зони. З іншого боку, концентрація вакансій у твердому гелії при звичайних умовах експерименту зі зниженням температури різко спадає ( ехр(Е_а/кТ), де Е_а - енергія активації вакансій). Це призводить до складної температурної залежності рухливості електронів у твердому гелії [13]. У наших умовах, коли при безперервному опромінюванні у неоні йде радіаційно-стимульований процес накопичення та загибелі дефектів, концентрація вакансій практично не залежить від температури. Як показали наші розрахунки, вакансії в області низьких температур Т<_D/8, де проявляються квантові ефекти і можливе утворення вакансійної зони, рухаються когерентно і їхня рухливість різко зростає зі зменшенням температури. Захоплення електрона вакансією сприяє його локалізації, що різко зменшує його рухливість порівняно з зонним рухом. У рамках запропонованої моделі легко знаходять пояснення усі експериментальні факти, включаючи зменшення швидкості рекомбінації зі зниженням Т.

Далі в розділі розглядаються особливості транспорту енергії у кристалах неону. Розгляд виконано на основі аналізу температурних залежностей інтегральних характеристик смуг випромінювання об'ємних центрів і десорбованих атомів неону, а також температурних залежностей відносного виходу люмінесценції домішкових центрів у твердих розчинах неону з киснем.

Підвищення температури кристалів неону у області концентрації домішок >10^-1% призводить до збільшення відносного світловиходу домішкового випромінювання, що свідчить на користь визначального внеску у перенесення енергії автолокалізованних центрів. Повний аналіз залежностей розподілу інтегральних інтенсивностей у смугах ВУФ і ВІД власної люмінесценції, а також у домішковому спектрі і спектрі десорбованих атомів, дозволив зробити висновок, що транспорт енергії у чистих кристалах Ne і слабоконцентрованих розчинах, головним чином, контролюється міграцією автолокалізованих Ne₂* станів. Він здійснювався в екситонному каналі релаксації енергії (рис.7) за механізмом перескоку резонансного зв'язку у випадку зв'язаних Ne₂*-центрів та у дисипативних процесах, що супроводжують їхню дисоціацію по відштовхувальним кривим. Внесок у перенесення енергії від дифузії автолокалізованих діркових станів проявляється, в основному, у концентрованих твердих розчинах, які містять електронегативну домішку в області температур <5К, зростаючи з її зниженням.

Висновки

атомарний кріокристал електронне збудження

У дисертації узагальнені експериментальні і теоретичні результати з проблеми утворення, транспорту, релаксації та анігіляції енергії електронних збуджень у чистих та домішкових атомарних кріокристалах (АКК). Для одержання інформації про ці процеси та пов'язані з ними явища використовувались методи катодо- та фотолюмінесценції, вимірювання спектрів фотозбудження смуг люмінесценції, а також методики вимірювання часу життя електронних збуджень.

У цілому можна говорити про просування у зрозумінні проблеми формування спектру електронних збуджень у діелектриках з сильною конкуренцією розсіяння на фононах і релаксації на локальних деформаціях гратниці.

Достовірність отриманих даних забезпечувалась використанням добре апробованих експериментальних методів, обробкою отриманих даних за допомогою відомих підходів, коректним урахуванням похибок вимірювань, згодою з результатами, отриманими іншими авторами. Аналіз даних проводився у рамках сучасної концепції фізики твердого тіла.

У завершення сформулюємо загальні положення, які походять з узагальнення проміжних висновків і мають принципове значення.

Енергетична структура і процеси формування випромінюючих станів:

1. Спектр екситонних збуджень в АКК містить поряд з високосиметричними Г-екситонами також і Х-екситонні зоні, які мають мінімум енергії у точці Х на межі зони Бриллюена.

2. У кристалах Хе із слабким екситон-фононним зв'язком Х-екситони є вільними. У кріокристалах Ne з сильною екситон- фононною взаємодією Х-екситони автолокалізуються з утворенням квазіатомних збуджених р-центрів.

3. При збудженні кристалів Хе та Ne електронами і фотонами, з енергією достатньою для появи у кристалі електронів та дірок, вільні та/або автолокалізовані Х- екситони, в основному, утворюються в процесі рекомбінації зарядових носіїв.

4. При опромінюванні АКК електронами виникає поляризаційно-гальмове випромінювання (ПГВ), зобов'язане поляризаційним коливанням, які індукуються у валентній оболонці атомів електромагнітним полем збуджуючого кристал електрона. У кристалі непружне комбінаційне розсіювання квантів ПГВ може призводити до додаткового каналу заселення екситонних станів.

5. Для кріокристалів Ne отримані свідоцтва на користь локалізації зонового електрона при температурах нижче 5К.

Транспорт енергії електронних збуджень:

1. Перенесення енергії у чистих кристалах ксенону, криптону та аргону здійснюється вільними екситонами у дифузійному режимі їх руху, який контролюється розсіюванням на фононах. Для цих кристалів існує критична температура Т_с, нижче якої екситонний транспорт контролюється групою гарячих екситонів з енергією, яка істотно перевищує теплову. Критична температура Т_с(1530)К визначається шириною екситонної зони, висотою бар'єру до автолокалізації та константою екситон-фононної взаємодії.

2. У бінарних розчинах криптону, які містили домішки Xe, O₂ та Ar, перенесення енергії електронних збуджень здійснюється як вільними екситонами, так і автолокалізованими Kr₂*- центрами. Домішкові центри прискорюють автолокалізацію вільних екситонів при їх квазіпружному розсіюванні. Дифузійний рух Kr₂*- автолокалізованих центрів здійснюється за механізмом перекидання резонансного зв'язку Kr₂* - Kr.

3. Перенесення енергії у твердому неоні обумовлено рухом автолокалізованих нейтральних Ne₂* та заряджених Ne₂⁺ центрів. Перенесення енергії Ne₂*-центрами ефективне в усьому інтервалі температур аж до сублімаційної і підсилюється з ростом температури. Внесок від руху діркових Ne₂⁺ центрів стає конкуруючим при температурах нижчих за 5К.

Радіаційно-стимульовані процеси:

1. Захоплення електронних збуджень матриці домішковими центрами у твердих розчинах інертних елементів (Ne, Ar, Kr, Xe) з атмосферними газами (O₂, N₂, CO, H₂, O, N, C, H, Xe, Ar) індукує: (1) дисоціацію домішкових молекул; (2) дифузію домішкових атомів; (3) дефектоутворення біля домішкових центрів; (4) десорбцію домішкових збуджених атомів у вакуум; (5) кластеризацію домішкових частинок і утворення нових з'єднань, у тому числі ексимерних комплексів.

2. Висока ефективність і різноманітність цих процесів є наслідком загального механізму відштовхувальної деформаційної взаємодії рідбергівських збуджень в умовах значного виділення надлишкової енергії у гратницю, яка має високе деформування. Якщо деформація сферична, відбувається дефектоутворення у об'ємі кристалу або десорбція домішки у вакуум. Якщо деформація асиметрична (випадок двоатомних центрів), відбувається дисоціація домішки з подальшим виходом атома у сусідню комірку або міжвузловину.

Список використаних джерел

1. Криокристаллы / А.Ф. Прихотько, В.Г. Манжелий, И.Я. Фуголь и др. / Под ред. Б.И. Веркина, А.Ф. Прихотько. - К.: Наукова думка, 1983.- 526 c.

2. Соболев В.В., Немошкаленко В.В. Электронная структура твёрдых тел в области фундаментального края поглощения. - К.: Наукова думка, 1992. - 566 с.

3. Manzhelii V.G., Prohvatilov A.I., Minchina I.Ya., Yantsevich L.D. Handbook of binary solutions of cryocrystals.- New York.- Begen House.- 1996.- 236 P.

4. Savchenko E.V. VUV-spectroscopy study of lattice defect creation in rare gas solids// J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena.- 1996.- 79.-N1.- P. 47 - 50.

5. Schwentner N., Koch E.E. and Iortner J., Electronic Excitation in Condensed Rare Gases // Springer Tracts in Modern Physics. - 107, - Springer-Verlag, - Berlin ,1985.-239p.

6. Поляризационное тормозное излучение частиц и атомов / М.Я. Амусья, В.М. Буймистров, Б.А. Зон и др. - М.: Наука, 1987.

7. Агранович В.М., Галанин М.Д. Перенос энергии электронного возбуждения в конденсированных средах. - М.: Наука, 1978. - 383 с.

8. Рашба Э.И. Автолокализация экситонов / в кн. Экситоны под ред. Рашба Э.И., Стереджа М.Д. - М.: Наука, 1985. - С. 385 - 423.

9. Винецкий В.Л., Калнин Ю.Х., Котомин Е.А., Овчинников А.А. Радиационно - стимулированная агрегатизация дефектов Френкеля в твердых телах // УФН. - 1990. - 160. - №.10 . - С. 1 - 33.

10. Zimmerer G. Creation, Motion and Decay of excitons in rare gas solids, in book: Excited State Spectroscopy in Solids/ ed. by U.M. Crossanu and N.Terzi.- XCVI Corso Societa Italiana di Fisica, Bologna.- 1987. - P. 37- 110.

11. Veta M, Kanzaki H., Kobayashi K., Hanamura E. Excitonic Processes in solids // Springer Series in Solid State Sciences 60. - Springer - Verlag, Berlin, Heidelberg - New-York - Tokyo, 1986. - 530 p.

12. Sakai Y., Schmidt W.F., Phrapak A. High- and low- mobility electron in liquid neon // Chem. Phys. - 1992. - 164. - N1. - P. 139 - 152.

13. Голов А.И., Ефимов В.Б., Межов-Деглин Л.Н. Движение инжектированных зарядов в кристаллах ГПУ ⁴Не. // ЖЭТФ. - 1988. - 94. - № 2. - С. 198 - 215.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Фуголь И.Я., Тимченко Л.И., Полторацкий Ю.Б., Белов А.Г. Люминесценция окиси углерода в кристаллах инертных элементов // Изв. АН СССР. - сер. физическая. - 1978. - 42. - №3. - С. 471 - 476.

2. Белов А.Г., Свищёв В.Н., Фуголь И.Я., Юртаева Е.М. Квазилинейчатое излучение твёрдого неона при переходах между возбуждёнными состояниями // Письма в ЖЭТФ. - 1979. - 30. - №2. - С. 126 - 129.

3. Fugol I. Ya., Belov A.G., Tarasova E. I. On the nature of emission bands of self-trapped excitons in solid xenon // Solid State Commun. - 1979. -32. - N9.- P. 787 - 790.

4. Белов А.Г., Юртаева Е.М., Свищев В.Н. Особенности процесса автолокализации высоковозбуждённых состояний в кристаллах неона и аргона // ФНТ. - 1981. - 7. - №3.- С. 350 - 360.

5. Белов А.Г., Свищев В.Н., Фуголь И.Я., Юртаева Е.М. Обнаружение экситонной люминесценции из высокоэнергетичных состояний в криокристаллах ксенона // ФНТ. - 1983. - 9. - №11. - С. 1206 - 1209.

6. Белов А.Г., Свищев В.Н., Юртаева Е.М. Горячая люминесценция высокоэнергетичных возбуждений в криокристаллах инертных элементов // Изв. АН СССР, сер. физ. - 1983. - 47. - №7. - С. 1380 - 1384.

7. Фуголь И.Я., Белов А.Г., Свищев В.Н., Юртаева Е.М., Якименко М.Н., Александров Ю.М., Махов В.Н., Сырейщикова Т.И. Фотовозбуждение и люминесценция высокоэнергетичных экситонов в криокристаллах ксенона // В кн. “Всесоюзное совещание по использованию синхротронного излучения. - Доклады”. - ИЯФ СО АН СССР. - Новосибирск. - 1984. - С. 315 - 317.

8. Фуголь И.Я., Белов А.Г., Свищев В.Н., Юртаева Е.М., Алексеев В.И., Беловинцев К.А., Иванов С.Н., Михайлин В.В. Исследование возбуждения люминесценции из высокоэнергетичных состояний в твёрдом неоне с использованием синхротронного излучения // В кн. “Всесоюзное совещание по использованию синхротронного излучения. - Доклады”. - ИЯФ СО АН СССР. - Новосибирск. - 1984. - С. 312 - 314.

9. Фуголь И.Я., Белов А.Г., Тарасова Е.И. Диффузия экситонов и перенос энергии в криокристаллах ксенона, криптона и аргона // Письма в ЖЭТФ. - 1986. - 43. - №2. - С. 530 - 533.

10. Фуголь И.Я., Белов А.Г., Юртаева Е.М., Свищев В.Н. Кинетика экситонов в криокристаллах ксенон - криптон // ФНТ. - 1986. - 12. - №1. - С. 67 - 74.

11. Фуголь И.Я., Белов А.Г., А.Д. Климентов А.Д., Пендюр А.С., Юртаева Е.М. Спектроскопическое исследование эксимерных состояний в системе Хе - Кr // Опт. и спектр. - 1986. - 61. - №5. - С. 961 - 965.

12. Фуголь И.Я., Белов А.Г., Юртаева Е.М., Свищев В.Н. Экситонно - стимулированная диффузия примеси Хе в криокристаллах Кr // ФНТ. - 1987. - 13. - №3. - С. 288 - 296.

13. Фуголь И.Я., Белов А.Г., Самоваров В.Н., Свищев В.Н., Журавлев В.М. Видимая люминесценция десорбированных атомов в результате динамики автолокализованных экситонов неона // Письма в ЖЭТФ. - 1987. - 46. - №8. - С. 308 - 311.

14. Fugol I.Ya., Belov A.G., Svishchev V.N. On the nature of higher - excited 3p - radiative states of solid neon // Solid. State Communs. - 1988. - 66.-№5. - P. 503 - 507.

15. Белов А.Г., Свищев В.Н. Фуголь И.Я. Автолокализационная динамика высокоэнергетичных 3р - возбуждений в твёрдом неоне // ФНТ.-1989.-15.-№1.-С. 61 - 71.

16. Ratner A.M., Fugol I.Ya., Belov A.G., Steshenko Yu. L.Competition and transfer of excimer resonant bindings in rare gas crystals.// Phys. Lett. - 1989. - A.137. - N7 - 8.- P.403 -408.

17. Фуголь И. Я., Белов А.Г., Савченко Е. В., Тарасова Е. И. Автолокализация экситонов в криокристаллах инертных элементов // Изв. АН СССР. - 1989. - 53.- №9.- С. 1817 - 1820.

18. Фуголь И.Я., Ратнер А.М., Белов А.Г. Экситонно - стимулированные процессы в матрицах инертных элементов // В кн. “Химия низких температур и криохимическая технология”, М. - МГУ. - 1990. - С. 3 - 10.

19. Белов А.Г., Фуголь И.Я., Юртаева Е.М. Спектроскопическое исследование ридберговских состояний эксимерных комплексов инертных элементов и кислорода // ФНТ. - 1990. - 16. - №1. - С.101 - 112.

20. Белов А.Г., Фуголь И.Я., Юртаева Е.М. Ридберговские возбуждения в крио-кристаллах неона // ФНТ. - 1992. - 18. - №2. - С. 177 - 184.

21. Белов А.Г., Фуголь И.Я., Юртаева Е.М. Процессы, стимулированные локализацией экситонов в твёрдых растворах кислорода с неоном // ФНТ. - 1993. - 19. - №5. - С. 591 - 599.

22. Belov A.G., Fugol I.Ya., Yurtaeva E.M. The Kinetics of Excitons in Krypton Cryocrystals with Impurity Traps // Phys. Stat. Sol. (b). - 1993. - 175. - P. 123 - 134.

23. Belov A.G., Fugol I.Ya., Yurtaeva E.M. Exciton-induced processes in solid solutions of oxygen and xenon with neon // Proc. International Conf. “Physics in Ukraine”. - Kiev. -1993.- P.26-29.

24. Фуголь И.Я., Белов А.Г., Юртаева Е.М. Обнаружение высокоэнергетичного континуального излучения в криокристаллах инертных элементов // ФНТ. - 1995. - 21. - №2. - С. 238 - 242.

25. Белов А.Г., Горбулин Г.М., Фуголь И.Я., Юртаева Е.М. Релаксационный и рекомбинационный каналы формирования излучающих состояний в кристаллическом неоне; свидетельства автолокализации электронов// ФНТ.- 1997.- 23.- №4.- С. 439 - 447.

26. Белов А.Г., Фуголь И.Я., Юртаева Е.М. Континуальное излучение эксимерных комплексов в кристаллах аргона и неона // ФНТ. - 1998. - 24. - №6. - С.580 -594.

27. Белов А.Г. Рекомбинация зарядовых носителей в криокристаллах неона с примесью кислорода // ФНТ. - 1999. - 25. - № 1.- C. 53 - 62.

28. Фуголь И. Я., Белов А.Г., Тарасова Е. И., Юртаева Е. М. Формирование и локализация электронных возбуждений в криокристаллах неона // ФНТ. - 1999. - 25. - № 8-9.- C. 950 - 963.

29. Белов А.Г., Фуголь И.Я., Юртаева Е.М. Стимуляция десорбции аргона примесью кислорода // ФНТ. - 2000. - 26. - №2.- С. 204 - 213.

30. Belov A.G., Fugol I.Ya., Yurtaeva E.M., Bazhan O.V. Luminescence of oxygen - rare gas exciplex compounds in rare gas matrices // J. of Luminescence. - 2000. - 91. - N1-2. - P.107 -120.

31. Тарасова Е.И., Белов А.Г. Квазимолекулярная люминесценция кристаллического ксенона: Препр. / ФТИНТ; 3-76. - Харьков: 1979. - 27 с.

32. Алексеев В.И., Белов А.Г., Беловинцев К.А., Иванов С.Н., Михайлин В.В., Свищев В.Н., Фуголь И.Я., Юртаева Е.М. Исследование возбуждения люминесценции из высокоэнергетичных состояний в твёрдых ксеноне и неоне с использованием синхротронного излучения: Препр. / ФИАН; 19-86. - М.: 1986. - 14с.

34. Белов А.Г., Свищев В.Н., Юртаева Е.М. Горячая люминесценция высокоэнергетичных экситонов в криокристаллах инертных экситонов // В кн. “Тезисы докладов Всесоюзного совещания по молекулярной люминесценции и её применениям” , - Харьков: ФТИНТ. - 1982. - С. 23.

35. Ващенко Л. А., Брон Р. Я., Юртаева Е. М., Белов А.Г. Определение микропримесей азота и кислорода в инертных газах по их люминесценции в конденсированной фазе // В кн.: “Тезисы первой Всесоюзной конференции по анализу неорганических газов”. - Ленинград: ЛГУ. - 1983. - С. 68.

Анотації

Бєлов О. Г. Енергетична структура, релаксація і міграція електронних збуджень у атомарних кріокристалах.- Рукопис.

Дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - Фізика твердого тіла. - Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, Харків - 2001.

Подано результати експериментальних і теоретичних досліджень з проблеми формування, релаксації, анігіляції та транспорту електронних збуджень у чистих та домішкових атомарних кріокристалах (АКК). Методами дослідження були катодолюмінесцентна спектроскопія у області від 1.2 до 2.5еВ, а також вимірювання спектрів фотозбудження люмінесценції і часу життя збуджень. Виявлено, що випромінюючі стани АКК містять стаціонарні вільні та/або автолокалізовані Г- та Х-екситони, а також короткоживучі електронні збудження, які формують поляризазійно-гальмове випромінювання у області дальнього ВУФ. Доведено, що транспорт енергії у чистих Хе, Kr та Ar обумовлено дифузією екситонів, причому при низьких температурах - гарячих екситонів. Встановлено, що домішок у АКК стимулює автолокалізацію екситонів з утворенням дифундуючих автолокалізованих R₂*-центрів. Транспорт збуджень матриці до домішки ініціює дисоціацію молекул, дифузію атомів, дефектоутворення, десорбцію та утворення нових сполук. Отримано свідоцтва на користь локалізації електрону в неоні. Приведено нові дані з проблеми формування спектру електронних збуджень у діелектриках з сильною конкуренцією процесів розсіювання на фононах та релаксації на локальних деформаціях гратниці.

Ключові слова: люмінесцентна спектроскопія, атомарні кріокристали, електронні збудження, екситон-фононна взаємодія, транспорт енергії, автолокалізація, дефектоутворення.

Белов А.Г. Энергетическая структура, процессы релаксации и транспорт энергии электронных возбуждений в атомарных криокристаллах.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - Физика твердого тела.- Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины, Харьков, 2001.

Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований по проблеме формирования, релаксации, аннигиляции и транспорта электронных возбуждений в чистых и примесных атомарных криокристаллах (АКК). Методы исследования включали катодолюминесцентную спектроскопию в области от 1,2 до 25эВ, а также методики измерения спектров фотовозбуждения люминесценции, и времен жизни возбуждений. Обнаружено, что излучающие состояния АКК включают стационарные свободные и/или автолокализованные Г- и Х-экситоны, а также короткоживущие электронные возбуждения, формирующие в области жесткого ВУФ поляризационно-тормозное излучение. Доказано, что транспорт энергии в чистых Xe, Kr и Ar обусловлен диффузией экситонов, причем при низких температурах ими являются горячие экситоны. Установлено, что примесь в АКК стимулирует автолокализацию экситонов с образованием диффундирующих автолокализованных R₂*-центров. Транспорт возбуждений матрицы к примеси инициирует диссоциацию молекул, диффузию атомов, дефектообразование, десорбцию и образование новых соединений. Получены свидетельства в пользу локализации электрона в Ne. Представлены новые данные по проблеме формирования спектра электронных возбуждений в диэлектриках с сильной конкуренцией процессов рассеяния на фононах и релаксации на локальных деформациях решетки.

Ключевые слова: люминесцентная спектроскопия, атомарные криокристаллы, электронные возбуждения, экситон, экситон-фононное взаимодействие, транспорт энергии, автолокализация, дефектообразование.

Belov A.G. Energy structure, relaxation processes and electronic excitation energy transport in atomic cryocrystals. - Manuscript.

Thesis for competition for a doctor's degree in physics and mathematics in speciality 01.04.07 - Solid State Physics. - B.I. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering, National Academy of Science of Ukraine, Kharkov, 2001.

The experimental and theoretical results on formation, relaxation and annihilation of electronic excitations in pure and impure atomic cryocrystals (ACC) are reported. Particular attention is given to the energy transport of electronic excitation and the processes caused by excitations trapping in ACC - atmospheric gas solid solutions. The experiments were carried out by the cathodoluminescence spectroscopy technique in VUV, visible and IR regions (251,2)eV and by measuring luminescence photoexcitation spectra with the use of synchrotron radiation, and photo- and cathodoluminesctnce decay. Comprehensive optical investigation of temperature and concentration dependences of the spectra is made at temperatures ranged from 2 to 80K in the (10^-430)% impurity content region. The influence of dose and intensity of cathodoexcitation on the spectrum formation is studied for a current density of (10^-2 10)mA/cm² and an exciting electron energy up to 3keV.

One part of the thesis is concerned with the energy structure of pure Xe, Kr, Ar and Ne cryocrystals. It is found that along with the high-symmetry -excitons, the electronic excitation spectrum of ACC contains free and/or self-trapped X-excitons correlating with ns²np⁵(n+1)p excitations of the free rare-gas atoms. These high-energy excitations are shown to be mainly formed due to the charge carrier recombination. A new type of short-half-life radiating electronic excitations is observed for ACC. This is polarization electronic oscillations of the valence shell of the lattice atoms which are initiated by the electromagnetic field of an electron exciting the crystal. Continuum bands of polarization bremsstrahlung radiation are observed in the hard VUV region for 14 eV.

Another part of thesis deals with the energy transport in pure and impure ACC and the interaction between electronic excitations and impurity atomic and molecular centers. It is shown that the energy transport in pure Xe, Kr, and Ar is responsible for by the diffusion of free excitons, the energy transport at low temperatures being effected by hot excitons whose energy depends on the height of adiabatic barrier to self-trapping and the force of exciton-phonon interaction. An impurity in these ACC is found to stimulate an exciton self-trapping, opening the channel of energy transport with participation of self-trapped two-center R₂* excitations which migrate in jumps by the mechanism of resonance bond transfer. The contribution of coherent and self-trapped carriers is determined by the competition between the quasi-elastic free exciton scattering by impurities that accelerates the free exciton self-trapping and the direct free exciton trapping by impurity centers. Thus, the efficiency of energy transport by free and self-trapped carriers depends on solid solution composition. It is shown that the cathodoexcitation initiates and the luminescence spectroscopy is capable of diagnosing a number of elementary physico-chemical transformations in the solid solutions: impurity molecule dissociation, impurity atom diffusion, defect formation, clusterization and formation of new molecular compounds with participation of rare-gas atoms. Most of these solid-state reactions is of a subthreshold behavior and is efficiently stimulated by the electronic excitation energy transport of the matrix to different impurity centers.

A special section of the thesis concerns the study into electronic processes in the crystals of Ne which by its properties holds an intermediate position between quantum and classical crystals. Evidence of electron self-trapping in neon is obtained. It is shown that the probability of trapping increases sharply with decrease in temperature below 6K, the electron trapping being much similar to the quantum trapping of negative charges in solid helium. The experimental data indicate that unlike the heavy ACC, the energy transport in neon is due to the self-trapped center diffusion.

On the whole, the data obtained and their generalization have given new evidence on the formation of electronic excitation spectra in insulators with a severe competition of the processes of scattering by phonons and relaxation by local (impurity) deformations of the lattice.

Key words: cathodoexcitation, luminescence spectroscopy, atomic cryocrystals, electronic excitations, exciton, exciton-phonon interaction, energy transport, self-trapping, defect formation.

Размещено на Allbest.ru