Радіаційно-індуковані дефекти у кристалах складних боратів Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce ТА Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3
Вплив модифікації монокристалів Li6Gd(BO3)3:Ce натрієм і магнієм на процеси дефектоутворення під впливом іонізуючого випромінювання. Встановлення природи радіаційно-індукованих дефектів у монокристалах твердих розчинів Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 23.08.2014 |
| Размер файла | 63,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ
УДК 535.34
РАДІАЦІЙНО-ІНДУКОВАНІ ДЕФЕКТИ У КРИСТАЛАХ СКЛАДНИХ БОРАТІВ Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce ТА Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3
01.04.07 фізика твердого тіла
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Явецький Роман Павлович
Харків-2005
АНОТАЦІЇ
Р.П. Явецький, Радіаційно-індуковані дефекти у кристалах складних боратів Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce та Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. - фізика твердого тіла. - Інститут монокристалів НАН України, Харків, 2005.
Дисертація присвячена дослідженню радіаційних дефектів у монокристалах Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3, Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce. Вивчені особливості синтезу сполук Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3, Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce за методом твердофазного синтезу та визначені умови вирощування однорідних монокристалів. Досліджені механічні властивості та реальна структура вирощених монокристалів, визначені системи площин спайності та ковзання в монокристалах Li6RE(BO3)3 (RE=Eu, Y). Методами оптичного поглинання, фотолюмінесценції, термічного знебарвлення та термостимульованої люмінесценції вивчені радіаційно-індуковані дефекти в монокристалах Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3, Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce. Визначені енергетичні параметри пасток носіїв заряду. Визначені основні дозиметричні характеристики вирощених кристалів. Отримані результати свідчать, що кристали Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 є перспективними матеріалами для детектування теплових нейтронів у змішаних n/-полях.
Ключові слова: Li6Y(BO3)3, Li6Eu(BO3)3, метод Чохральського, площини ковзання, активаторні центри, фотолюмінесценція, термостимульована люмінесценція, наведене оптичне поглинання, радіаційні дефекти, твердотільна дозиметрія.
Р.П. Явецкий, Радиационно-индуцированные дефекты в кристаллах сложных боратов Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce и Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07. - физика твердого тела. - Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков, 2005.
Работа посвящена изучению радиационно-индуцированых дефектов в монокристаллах сложных боратов Li6Gd1-xEux(BO3)3 и Li6Y1-xEux(BO3)3, а также установлению влияния модификации монокристаллов Li6Gd(BO3)3:Ce натрием и магнием на процессы дефектообразования под действием ионизирующих излучений.
Изучены особенности синтеза соединений Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3, а также Li6-xNaxGd(BO3)3, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 методом реакции в твердой фазе. Определены концентрационные пределы существования монофазных соединений Li6-xNaxGd(BO3)3 (x0.3) и Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 (x0.3). Определены температуры ликвидуса в бинарных системах Li6Gd(BO3)3-Li6Eu(BO3)3 и Li6Y(BO3)3-Li6Eu(BO3)3. Показано, что системы характеризуются неограниченной растворимостью и формированием твердых растворов замещения во всем интервале концентраций (диаграммы состояния типа “сигара”).
Впервые методом Чохральского на воздухе выращены чистые и активированные церием монокристаллы модифицированных соединений Li6-xNaxGd(BO3)3 и Li6-xMgx/2Gd(BO3)3, а также монокристаллы твердых растворов Li6Gd1-xEux(BO3)3,Li6Y1-xEux(BO3)3. Изучена реальная стуктура выращенных монокристаллов. Показано, что кристаллы соединений Li6RE(BO3)3 (RE=Eu, Y) обладают совершенной спайностью вдоль плоскостей (1 02), (1 2 1) и (0 1 0). Систему плоскостей скольжения кристаллов Li6RE(BO3)3 (RE=Eu, Y) составляют (001), (100) и (331). Установлено, что BO3-треугольники, расположенные в кристаллографических плоскостях (1 02) и (301), препятствуют скольжению атомных слоев в кристаллах при комнатной температуре.
Определены основные оптические свойства кристаллов Li6-xNaxGd(BO3)3:Се,Li6-xMgx/2Gd(BO3)3:Се. Предложены модели активаторных центров (I) и (II), которые образует церий в этих кристаллах. Центры I типа обуславливают широкую полосу люминесценции с максимумом при 395 нм, а центры II типа - полосу поглощения с переносом заряда Се4++O2--Се3++O- при 300 нм. В кристаллах Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3 полосы поглощения с переносом заряда Eu3++O2--Eu2++O- при 245-275 нм и люминесценции в области длин волн =575-725 нм обусловлены существованием активаторного центра . В рамках диполь-дипольного приближения оценена вероятность переноса энергии Gd3+Eu3+ и критический радиус переноса в кристаллах Li6Gd0.97Eu0.03(BO3)3: Pdd~3104 с-1 и Rc~7 Е, соответственно.
Методами оптического поглощения, фотолюминесценции, термического обесцвечивания и термостимулированной люминесценции изучены радиационно-индуцированные дефекты в кристаллах Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3. ТСЛ кристаллов Li6-xNaxGd(BO3)3:Се, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3:Се связывается с распадом электронного F+-центра (вакансии кислорода, захватившей один электрон) с последующей излучательной релаксацией иона церия в составе активаторного центра I типа. В кристаллах Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3 в интервале температур 300-650 К существуют как минимум три типа ловушек носителей заряда. ТСЛ кристаллов связывается с термической релаксацией вакансии лития в составе сложного радиационного дефекта , с последующей излучательной релаксацией иона европия Eu3+. Формирование неэквивалентных радиационно-индуцированных дефектов в катионной подрешетке кристаллов Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3 может быть обусловлено наличием шести независимых кристаллографических позиций атомов лития. В рамках теории Антонова-Романовского оценены энергетические параметры ловушек носителей заряда.
Определены основные дозиметрические характеристики выращенных кристаллов. Эффективность ТСЛ кристаллов Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 в пять раз превышает эффективность промышленного детектора ТЛД-100 (LiF:Mg,Ti), что позволяет рассматривать эти материалы как перспективные для твердотельной дозиметрии ионизирующих излучений, в частности, с учетом элементного состава и плотности кристаллов, для детектирования тепловых нейтронов в смешанных n/-полях.
Ключевые слова: Li6Y(BO3)3, Li6Eu(BO3)3, метод Чохральского, плоскости скольжения, активаторные центры, фотолюминесценция, термостимулированная люминесценция, наведенное оптическое поглощение, радиационные дефекты, твердотельная дозиметрия.
R.P. Yavetskiy, Radiation-induced defects in Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce andLi6Gd(Y)1-xEux(BO3)3 complex borate crystals. Manuscript.
Thesis for the degree of candidate of physical-mathematical sciences by speciality 01.04.07 - solid state physics. - Institute for Single Crystals of NAS of Ukraine, Kharkov, 2005.
The thesis is devoted to studies of radiation defects in Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3, Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce single crystals. Peculiarities of solid-state reaction synthesis of Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3 and Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce compounds and conditions of homogeneous single crystals growth have been determined. Mechanical properties and real structure of the grown single crystals are studied, cleavage and glade planes systems in Li6RE(BO3)3 (RE=Eu,Y) single crystals are determined. Radiation induced defects in Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3, Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce single crystals have been studied by means of optical absorption, photoluminescence, thermal annealing and thermally stimulated luminescence (TSL) methods. Energy parameters of the charge carrier traps are determined. Basic dosimetric characteristics of the grown crystals have been determined. The results determined indicate that Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 crystals are promising materials for detection of thermal neutrons in mixed n/-fields.
Key words: Li6Y(BO3)3, Li6Eu(BO3)3, Czochralski method, glade system, activation centers, photoluminescence, thermally stimulated luminescence, additional optical absorption, radiation defects, solid state dosimetry.
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті монокристалів НАН України.
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Толмачов Олександр Володимирович, Інститут монокристалів НАН України, заступник директора з наукової роботи
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Рогачова Олена Іванівна Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”,
кафедра теоретичної та експериментальної фізики, професор кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Гальчинецький Леонід Павлович, Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України, провідний науковий співробітник
Провідна установа:Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, м. Київ.
Захист відбудеться “16“ червня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.169.02 при Інституті монокристалів НАН України, 61001, м. Харків, пр.Леніна, 60.
З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Інституту монокристалів НАН України (м. Харків, пр. Леніна, 60).
Автореферат розісланий “5“ травня 2005 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.ф.-м.н. І.М. Притула
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сполуки боратів знаходять застосування у різних галузях сучасної техніки - в нелінійній оптиці, засобах відображення та зберігання інформації, в якості детекторів іонізуючих випромінювань, що обумовлено наявністю практично важливих властивостей - низьким концентраційним гасінням люмінесценції, радіаційною стійкістю, хімічною стабільністю. Фізичні властивості цих сполук обумовлені особливостями кристалічної будови - борокисневий поліаніон може формувати острівці, ланцюги, шари або каркас. Високий вміст ізотопу бору 10B робить сполуки боратів привабливими матеріалами для реєстрації теплових нейтронів.
Важливою особливістю подвійних боратних сполук є змішаний характер хімічних зв'язків між елементами, що утворюють їх кристалічну структуру - спрямовані ковалентні зв'язки B-O та переважно іонні зв'язки кисню з катіонами металів. Це обумовлює певне різноманіття шляхів радіаційного дефектоутворення у кристалах боратів, зокрема в ізоструктурних літій-рідкісноземельних (РЗ) боратах - Li6RE(BO3)3 (RE=Gd, Y, Eu). Їх кристалічну структуру складають острівцеві ізольовані BO3-трикутники, що з'єднуються за допомогою поліедрів літію та рідкісноземельного елементу у тривимірний змішаний каркас. Ці матеріали дозволяють вводити великі концентрації активатора у підгратку матричного рідкісноземельного іону з дотриманням правил ізоморфізму. Активування рідкісноземельними іонами, що можуть існувати у декількох зарядових станах, або модифікація нелюмінесціюючими іонами призводить до локального перерозподілу електронної щільності, що повинно ініціювати утворення різних типів радіаційно-індукованих дефектів і в цілому має проявитися у підвищенні ефективності процесу радіаційного дефектоутворення.
На початок виконання роботи були відомі дані про люмінесцентні властивості твердих розчинів Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3 (x=0-1), отримані на полікристалах або маломірних монокристалах розміром близько 411 мм3. Було досліджено основні оптичні властивості чистих та активованих церієм полі- та монокристалів Li6Gd(BO3)3 та Li6Y(BO3)3. Основна увага приділялась вивченню процесу міграції електронних збуджень. Було протестовано основні сцинтиляційні характеристики кристалів Li6Gd(Y)(BO3)3:Ce. Інформація про вплив модифікуючих домішок на механізми радіаційного дефектоутворення в кристалах LGBO:Ce була відсутня. Взагалі не було інформації про можливі типи радіаційних дефектів в активованих європієм монокристалах Li6Gd(Y)(BO3)3. Існували окремі повідомлення про вирощування монокристалів твердих розчинів Li6Gd1-xEux(BO3)3 та Li6Y1-xEux(BO3)3. Практично відсутніми були дані щодо фізико-механічних властивостей та типів структурних дефектів у монокристалах Li6RE(BO3)3 (RE=Gd, Y, Eu).
Фізика радіаційних явищ є важливою складовою частиною фізики твердого тіла. Вивчення природи радіаційної стійкості і визначення механізмів радіаційного дефектоутворення у монокристалах змішаних ізоструктурних ортоборатів Li6RE(BO3)3 (RE=Gd, Y, Eu), практична необхідність пошуку нових матеріалів для реєстрації різних типів іонізуючого випромінювання, зокрема, матеріалів з підвищеними термодозиметричними характеристиками, і визначили основні напрямки експериментальних досліджень у даній дисертаційній роботі.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до програми пошукової науково-дослідної тематики Інституту монокристалів НАН України за темами “Отримання активованих монокристалів Li6Gd(BO3)3:Ce, визначення їх структури та сцинтиляційних параметрів” (“Оксид-4”, 2000 р.); за темою відомчого академічного замовлення “Розробка фізико-технологічних основ отримання та модифікування нового оксидного монокристалу літій-гадолінієвого борату Li6Gd(BO3)3” (“Борат”, 2001-2003 рр., номер держреєстрації № 0101U003488) та "Отримання та дослідження нових боратних кристалів для детектування теплових нейтронів" (“Обрій”, 2004-2006 рр., номер держреєстрації № 0104U003919).
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є вивчення впливу модифікації монокристалів Li6Gd(BO3)3:Ce натрієм і магнієм на процеси дефектоутворення під впливом іонізуючого випромінювання, встановлення природи радіаційно-індукованих дефектів у монокристалах твердих розчинів Li6Gd1-xEux(BO3)3 та Li6Y1-xEux(BO3)3, обгрунтування фізичних механізмів впливу активатора і модифікуючих домішок на механізми запасання світлосуми вирощеними монокристалами.
Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі основні задачі: монокристал натрій магній випромінювання
вивчити особливості синтезу та фазовий склад сполук Li6-xNaxGd(BO3)3:Ce, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3:Ce та Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3;
визначити умови вирощування за методом Чохральського монокристалів Li6Gd(BO3)3, модифікованих Na, Mg та активованих церієм, та монокристалів твердих розчинівLi6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3;
вивчити реальну структуру отриманих монокристалів та їх фізико-механічні властивості;
визначити природу радіаційно-індукованих дефектів у монокристалах Li6Gd(BO3)3:Ce, модифікованих Na, Mg, та монокристалах Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 із залученням результатів досліджень оптичного поглинання (ОП), наведеного оптичного поглинання (НОП), фото- (ФЛ), рентгенолюмінесценції (РЛ) та термостимульованої люмінесценції (ТСЛ);
визначити та проаналізувати основні дозиметричні характеристики отриманих монокристалів у порівнянні з відомими аналогами.
Об'єктом дослідження були синтезовані сполуки Li6Gd(BO3)3 (LGBO), модифіковані Na, Mg та активовані Ce, тверді розчини Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 (x=0-1) та вирощені автором монокристали вищезазначених сполук. Предмет дослідження - структурні, оптичні, люмінесцентні, термолюмінесцентні властивості, дозиметричні характеристики вирощених кристалів у залежності від хімічного складу зразків, типу і концентрації радіаційно-індукованих дефектів. Використання методів дифракції рентгенівських променів, диференційно-термічного аналізу, оптичного поглинання, фото- та рентгенолюмінесценції, термостимульованої люмінесценції забезпечило вирішення поставлених у роботі задач.
Наукова новизна одержаних результатів.
Описані радіаційно-індуковані дефекти, які обумовлюють ТСЛ модифікованих монокристалів Li6-xNaxGd(BO3)3:Ce, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3:Ce (електронні пастки), та монокристалів твердих розчинів заміщення Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 (катіонні вакансії) в інтервалі температур Т=300ч650 К.
Визначені типи кінетики ТСЛ та енергетичні параметри пасток носіїв заряду, що обумовлюють запасання енергії та ефективність випромінювальної релаксації монокристалів Li6-x(Na,Mg)xGd(BO3)3:Ce та Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3.
У монокристалах ізоструктурних сполук Li6RE(BO3)3 (RE=Eu, Y) визначено системи спайності - (1 02), (1 2 1), (0 1 0), та ковзання - (001), (100), (3 31). При кімнатній температурі кристали цих острівцевих боратів мають слабку пластичність, що обумовлено перешкоджаючою дією з боку BO3-трикутників ковзанню атомних шарів.
Запасання світлосуми кристалами Li6-xNaxGd(BO3)3:Ce, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3:Ce пов'язане з утворенням складних радіаційних дефектів та , відповідно. ТСЛ кристалів обумовлена розпадом F+-центру з наступною випромінювальною релаксацією іону Ce3+.
Запасання світлосуми кристалами Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 пов'язане з утворенням радіаційних дефектів . ТСЛ кристалів обумовлена термічною релаксацією вакансії літію у складі дефекту з наступною випромінювальною релаксацією іону Eu3+.
Практичне значення одержаних результатів.
Встановлено, що домішка натрію призводить до зниження температури твердофазного синтезу сполуки LGBO. Встановлено концентраційний інтервал існування монофазних сполук Li6-xNaxGd(BO3)3 та Li6-xMgx/2Gd(BO3)3. Визначені температури ліквідусу у бінарних системах Li6Gd(BO3)3 - Li6Eu(BO3)3 (LEBO) та Li6Y(BO3)3 (LYBO) - Li6Eu(BO3)3. Вперше за методом Чохральського у повітряному середовищі вирощені монокристали сполук Li6-xNaxGd(BO3)3, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 діаметром до 20 мм та довжиною до 25 мм, номінально чистих і активованих церієм. Визначені основні структурні дефекти кристалів - свілі, пори, включення. Вивчено вплив домішок натрію та магнію на ефективність запасання світлосуми монокристалами Li6-xNaxGd(BO3)3:Ce та Li6-xMgx/2Gd(BO3)3:Ce. Встановлено факт запасання світлосуми монокристалами Li6Gd(Y)1-xEux(BO3)3, ефективність ТСЛ яких принаймні у 5 разів перевищує ефективність промислового детектора ТЛД-100 (LiF:Mg,Ti), що свідчить про потенційну перспективність цих матеріалів для твердотільної дозиметрії іонізуючого випромінювання.
Особистий внесок здобувача полягає в участі в постановці мети дослідження та обговоренні отриманих результатів; визначенні режимів синтезу модифікованих сполук Li6-xNaxGd(BO3)3, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 та твердих розчинів Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 [2, 8]; вирощуванні монокристалів синтезованих сполук, дослідженні їх структурних та фізико-механічних характеристик [1, 3, 4]; самостійному проведенні експериментальних досліджень фото-, рентгенолюминесценції, термостимульованої люмінесценції, наведеного оптичного поглинання та термічного знебарвлення зразків [5-7]; інтерпретації процесу радіаційного дефектоутворення та природи радіаційних дефектів у вирощених монокристалах [6, 7]; обробці та узагальненні результатів досліджень; підготовці разом зі співавторами публікацій та доповідей на наукових конференціях.
Хімічний склад вирощених кристалів визначено за допомогою науковців відділу проф. А.Б. Бланка (ІСМА НАНУ); вимірювання спектрів рентгенівської дифракції та їх обговорення проведено за допомогою к.х.н. В.М. Баумера (ІСМА НАНУ).
Публікації та апробація роботи. За темою дисертації опубліковано 7 статей у фахових наукових виданнях, одержано 1 патент України на винахід.
Результати досліджень доповідались та обговорювались на вітчизняних та міжнародних конференціях: 13th International Conference on Crystal Growth (ICCG-13), 30 July - 4 August, 2001, Kyoto, Japan; II International Workshop "Physical aspects of the luminescence of complex oxide dielectrics" (LOD-2002), 8-12 July, 2002, Lviv, Ukraine; X Национальная конференция по росту кристаллов (НКРК-2002), 24-29 ноября, 2002, Москва, Россия; International Conference “Functional Materials” (ICFM-2003), 6-11 October, 2003, Partenit, Ukraine; The 15th International Conference on Defects in Insulating Materials (ICDIM-2004), 11-16 July, 2004, Riga, Latvia; 14th International Conference on Crystal Growth (ICCG-14), 9-13 August, 2004, Grenoble, France; III International Workshop "Physical aspects of the luminescence of complex oxide dielectrics" (LOD-2004), 14-17 September, 2004, Kharkiv, Ukraine; ХI Национальная конференция по росту кристаллов (НКРК-2004), 13-17 декабря, 2004, Москва, Россия, та опубліковані у збірниках тез доповідей цих конференцій.
Структура та об`єм роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків та списку цитованої літератури з 156 посилань, містить 53 рисунки, 12 таблиць, та має загальний обсяг 159 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Перший розділ (огляд літератури) присвячено питанням радіаційної фізики широкозонних діелектриків - процесам взаємодії іонізуючого випромінювання з діелектричними матеріалами, механізмам радіаційного дефектоутворення, моделям радіаційних дефектів. Наведено літературні дані щодо радіаційно-індукованих дефектів у боратних сполуках (у різних агрегатних станах - склоподібному, полікристалічному та монокристалічному), особлива увага приділяється моделям радіаційно-індукованих дефектів і їх зв'язку з особливостями кристалічної будови. Проаналізовано основні методи отримання монокристалів боратів ізоструктурних сполук Li6RE(BO3)3 (RE = рідкісноземельний елемент). Описані основні оптичні властивості сполук Li6RE(BO3)3, а також сцинтиляційні характеристики кристалів Li6Gd(Y)(BO3)3:Ce. Наведено фізичні основи явища термостимульованої люмінесценції. Зроблено обгрунтування наукових напрямків роботи, вибору об'єктів та методів дослідження.
Другий розділ містить опис експериментальних методик та використаної науково-дослідницької апаратури. Описані методи визначення концентрацій основних компонентів, мікродомішок, модифікаторів (натрію, магнію) та активаторів (церію, європію) у кристалах Li6-xNaxGd(BO3)3, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 та в кристалах твердих розчинів Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 з використанням атомно-емісійного аналізу. Наведені дані щодо вивчення фазових перетворень у сполуках боратів за допомогою методу диференційно-термічного аналізу (ДТА, дериватограф Q-1500 D, MOM). Приведені методи визначення кристалічної структури монокристалів та їх фазового складу за допомогою методів рентгеноструктурного та рентгенофазового аналізів (РСА та РФА, автоматичний дифрактометр SIEMENS P3/PC; обробка дифрактограм здійснювалась за допомогою пакету програм SHELX97). Наводяться методи та обладнання для вимірювання оптичного поглинання (спектрофотометр SPECORD M40 UV-VIS), фото- та радіолюмінесценції у діапазоні =200-900 нм (автоматизований комплекс СДЛ-2, ЛОМО) та реєстрації кривих термостимульованої люмінесценції в інтервалі температур Т=300-650 К (експериментальна вимірювальна установка). Розділення кривих ТСЛ на елементарні піки здійснювалось за методом Аленцева-Фока, розрахунок енергетичних параметрів пасток носіїв заряду проведений у рамках теорії Антонова-Романовського. Наведені дані про методику виготовлення експериментальних зразків для оптичних та структурних досліджень. Приведені характеристики джерел іонізуючого випромінювання, що використовувалися в роботі - ізотопне -джерело (90Sr:90Y) та рентгенівська пушка (Cu-анод, напруга U=160 кВ, струм I=9 мА).
Третій розділ присвячено визначенню особливостей твердофазного синтезу сполук Li6-xNaxGd(BO3)3, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3, Li6Gd1-xEux(BO3)3 та Li6Y1-xEux(BO3)3, визначенню умов вирощування монокристалів та дослідженню їх реальної структури.
За допомогою методів РФА та ДТА встановлено, що домішка натрію призводить до зниження температури інтенсивної взаємодії вихідних компонентів у процесі твердофазного синтезу сполуки LGBO на 100 К, що пов'язується з появою рідкої фази натрієвих боратів 5Na2O2B2O3, 3Na2O2B2O3 та підвищенням реакційної здатності суміші. Сполука Li5.7Na0.3Gd(BO3)3 має дещо нижчу температуру плавлення порівняно з LGBO (Тпл.=835 С та 810 С відповідно), що знаходиться у відповідності зі збільшенням параметрів елементарної комірки: a=7.2230(4) Е, b=16.500(4) Е, c=6.6882(3) Е, =105.35(5)є, V=768.67(2) Е3 для LGBO та a=7.232(1) Е, b=16.498(4) Е, c=6.702(1) Е, =105о46(1), V=770.60 Е3 для Li5.7Na0.3Gd(BO3)3. Модифікування магнієм призводить до деякого зменшення параметрів елементарної комірки сполуки Li5.7Mg0.15Gd(BO3)3: a=7.227(4) Е, b=16.503(8) Е, c=6.676(0) Е, =105о40(0), V=767.72 Е3, при одночасному збільшенні температури плавлення (Тпл.=840 С). Методами ДТА, РФА визначені концентраційні межі існування монофазних сполук Li6-xNaxGd(BO3)3 (x0.3) та Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 (x0.3). На основі аналізу кристалохімічних особливостей будови сполуки LGBO запропоновано можливі механізми заміщення та компенсації надлишкового заряду: (натрій у позиції літію); (натрій у позиції гадолінію та вакансія кисню, що компенсуює надлишковий заряд) та - магній у позиції літію, де надлишковий заряд компенсується вакансією літію.
Синтез сполук Li6Y(BO3)3, Li6Eu(BO3)3, також як і сполуки LGBO в системі Li2O-Gd2O3-B2O3, має стадійний характер. Спочатку до взаємодії вступають карбонат літію та борна кислота з утворенням фаз літієвих боратів 2Li2OB2O3, 3Li2O2B2O3 та деяких інших, які при підвищенні температури до 580-700 С, взаємодіють з RE2O3 (RE=Y, Eu) з утворенням сполук Li6Y(BO3)3, Li6Eu(BO3)3.
За допомогою методу ДТА з використанням даних РФА визначені температури ліквідусу в бінарних системах LGBO-LEBO та LYBO-LEBO. Показано, що системи характеризуються необмеженою розчинністю та формують тверді розчини заміщення в усьому концентраційному інтервалі (фазові діаграми типу "сигара", рис. 1).
Зменшення температури плавлення в системі LYBO-LEBO при збільшенні концентрації європію корелює зі збільшенням об'єму елементарної комірки сполуки (за правилом Вегарда).
Монокристали Li6-xNaxGd(BO3)3, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 та Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 вирощували методом Чохральського у повітряній атмосфері з використанням печі з омічним нагрівом. Для вирощування використовували платинові тиглі об'ємом V17 см3 та монокристалічні зародкові монокристали. При використанні неорієнтованих зародкових монокристалів виявлялася тенденція до розтріскування кристалів. Показана можливість стабільного росту монокристалів Li6-xNaxGd(BO3)3,Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 та Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 на зародковий монокристал, орієнтований вздовж напрямку [43 2]. Визначені наступні технологічні умови вирощування: швидкість обертання =4-6 об/хв, швидкість витягування VL=0.7 мм/год, осьовий температурний градієнт grad TZ=20-80 К/см. Були вирощені прозорі, однорідні монокристали діаметром до 20 мм та довжиною до 25 мм. Визначені ефективні коефіцієнти розподілу модифікаторів (Keф.(Na)0.3; Keф.(Mg)0.5) та активаторів (Keф.(Се)0.1; Keф.(Eu)1).
Визначені основні структурні дефекти вирощених монокристалів Li6-xNaxGd(BO3)3, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 (включення, пори, свілі) та можливі причини їх виникнення (захоплення рідкої фази в умовах концентраційного переохолодження, висока в'язкість розплаву).
Четвертий розділ присвячено встановленню особливостей кристалічної будови ізоструктурних сполук Li6RE(BO3)3 (RE=Gd, Y, Eu) та дослідженню фізико-механічних властивостей вирощених кристалів.
Згідно з даними РСА, сполуки Li6RE(BO3)3 (RE=Gd, Y, Eu) є ізоструктурними, належать до моноклінної сингонії, просторова група P21/c, та характеризуються наступними параметрами елементарної комірки: Li6Gd(BO3)3: a=7.2230(4) Е, b=16.500(4) Е, c=6.6882(3) Е, =105.35(5)є, V=768.67(2) Е3, срозр.=3.246 г/см3; Li6Y(BO3)3: a=7.157(5), b=16.378(4), c=6.623(4) Е, в=105.32(5)є, V=748.74(2) Е3, срозр.=2.72 г/см3; Li6Eu(BO3)3: a=7.232(10) Е, b=16.507(3) Е, c=6.697(10) Е, в=105.37(2), V=770.9(2) Е3, срозр.=3.188 г/см3.
Елементарна комірка кристалів Li6RE(BO3)3 (RE=Gd, Y, Eu) містить чотири формульні одиниці, Z=4. Атоми RE (RE=Gd, Y, Eu) розташовані в восьмивершинниках та займають одну еквівалентну позицію, симетрія C1. Атоми Li займають шість незалежних позицій, чотири з них координовані п'ятьма атомами кисню, а інші два координовані чотирма атомами кисню. Середні відстані в Li-тетраедрах практично співпадають, в Li-п'ятивершинниках зв'язки Li(3)-O та Li(5)-O перевищують середні відстані у поліедрі в 1.3 рази. RE- та Li-поліедри об'єднуються в тривимірний каркас змішаного типу за допомогою ВО3-трикутників, що займають три незалежні позиції. 2/3 B-трикутників розташовані в площині , 1/3 - в площині .
Монокристали Li6RE(BO3)3 (RE=Gd, Y, Eu) характеризуються системою досконалої спайності вздовж площин , і . Встановлено, що площини спайності проходять паралельно шарам, що найбільш віддалені один від одного та найменш електростатично зв'язані - сколювання у кристалах у випадку всіх трьох площин відбувається найдовшими зв'язками Li-O в Li-п'ятивершинниках та містковими зв'язками RE-O (RE=Gd, Y, Eu).
Встановлено, що систему ковзання кристалів Li6RE(BO3)3 (RE=Gd, Y, Eu) визначають площини (3 31), (001) та (100). У кристалах Li6RE(BO3)3 площини (3 31), (001) та (100) найщільніше упаковані по кисню, і пластична деформація кристалів відбувається в результаті зсуву атомних шарів, що паралельні цим площинам, один відносно одного. Таким чином, систему ковзання у кристалах визначає трансляція іонів кисню, що є найбільшим у структурі Li6RE(BO3)3.
Показано, що ВО3-трикутники, які розташовані в різних атомних площинах та , запобігають ковзанню атомних шарів у кристалі при кімнатній температурі. Ковзання однієї частини кристалу відносно іншої у подвійних рідкісноземельних боратах не може відбуватися без суттєвого спотворення BO3-трикутників, яке можливе тільки при підвищених температурах.
На основі аналізу особливостей кристалічної структури Li6RE(BO3)3 (RE=Gd, Y, Eu) обґрунтовано вибір активуючих домішок - церію та європію, а також модифікуючих домішок (натрію та магнію), що вводяться у катіонну підгратку літію.
П'ятий розділ присвячений вивченню оптичних, люмінесцентних властивостей, механізмів виникнення радіаційних дефектів у чистих та активованих церієм кристалах Li6-xNaxGd(BO3)3, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3.
Спектр поглинання кристалів Li6-xNaxGd(BO3)3, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 містить групи ліній 8S7/2-6Dj (245-255 нм), 8S7/2-6IJ (270-280 нм) та 8S7/2-6PJ (300-313 нм) переходів іону Gd3+. Максимум спектру фотолюмінесценції розташований при 313 нм (6PJ8S7/2 випромінювальні переходи іону Gd3+). При активуванні кристалів Li6-xNaxGd(BO3)3,Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 церієм у спектрі поглинання з'являється широка смуга поглинання з переносом заряду (ППЗ) Се4++O2--Се3++O- з максимумом при 300 нм, що відповідає транспорту електрону з 2р-орбіталі кисню на незаповнену орбіталь іону церію, рис.2. Положення максимуму смуги ППЗ співпадає з розрахованими даними, отриманими в рамках концепції оптичної електронегативності. Максимум спектру люмінесценції спостерігається при 395 нм і відповідає 5d4f переходам іону церію Ce3+. Згідно з даними хімічного аналізу, відношення концентрацій Ce3+/Ce4+ складає 0.25. На основі отриманих експериментальних даних запропоновано дві моделі активаторних центрів, що утворює церій у кристалах Li6-xNaxGd(BO3)3, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3: центр першого типу (I) і другого - (II). У випадку центру ІІ надлишковий заряд компенсується вакансією літію у найближчому оточенні активатора.
Опромінення номінально чистих кристалів Li6-xNaxGd(BO3)3, Li6-xMgx/2Gd(BO3)3 не призводить до виникнення НОП та ТСЛ. Радіаційно-індуковані дефекти у кристалах Li6-xNaxGd(BO3)3:Се (Т1=362 К, Т2420 К, Е10.76 еВ і E20.82 еВ, перший порядок кінетики) і в кристалах Li6-xMgx/2Gd(BO3)3:Се (Т1390, Т2425 К, Т3460 К; E10.8 еВ, E20.84 еВ, E31.1 еВ, перший порядок кінетики), віднесені до електронних центрів захоплення, рис.3.
Запасання світлосуми кристалами Li6-xNaxGd(BO3)3:Се і Li6-xMgx/2Gd(BO3)3:Се пов'язується зі створенням та термічним розпадом комплексних радіаційно-індукованих дефектів та , відповідно. ТСЛ кристалів Li6-xNaxGd(BO3)3:Се та Li6-xMgx/2Gd(BO3)3:Се обумовлена розпадом F+-центрів з наступною випромінювальною релаксацією іонів церію у складі активаторного центру І типу. Світлосума, що запасається кристалами Li5.7Na0.3Gd(BO3)3:Се та Li5.7Mg0.15Gd(BO3)3:Се в 20 разів перевищує світлосуму вихідних кристалів LGBO:Се. Цей результат інтерпретований у зв'язку з більшою імовірністю створення електронних центрів захоплення в кисневому оточенні іона-модифікатора внаслідок локальної деформації його координаційного поліедру.
Показано, що опромінення кристалів Li5.7Na0.3Gd(BO3)3:Се та Li5.7Mg0.15Gd(BO3)3:Се призводить до перерозподілу зарядового стану іонів церію у складі активаторного центру ІІ типу згідно з процесом -опромінення, що фіксується у зменшенні після опромінення та відновленні після відпалу інтенсивності смуги ППЗ, рис. 2. Відповідно, в опромінених кристалах зростає доля фотолюмінесценції іонів Се3+. У процесі термічної активації радіаційно-індуковані дефекти релаксують безвипромінювально.
Шостий розділ присвячений вивченню оптичних, люмінесцентних властивостей та механізмів виникнення радіаційних дефектів у кристалах Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3.
Спектр поглинання кристалів Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 містить смугу ППЗ при =245-275 нм, найбільш інтенсивні лінії 4f-4f переходів іону Eu3+ (400 нм), та в кристалах Li6Gd1-xEux(BO3)3 - лінії переходів іону Gd3+ (270-280 нм та 300-313 нм), рис. 4, 1. Наявність смуги ППЗ обумовлена фотоіндукованим переходом електрону з 2p орбіталі кисню на незаповнену 4f орбіталь іону європію Eu3++O2--Eu2++O-. Положення максимуму смуги ППЗ залежить від середньої міжатомної відстані Eu-O та демонструє довгохвильовий зсув при збільшенні концентрації європію в кристалах Li6Gd1-xEux(BO3)3 та Li6Y1-xEux(BO3)3.
Спектри фото- та рентгенолюмінесценції кристалів Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 подібні та містять групи ліній в області довжин хвиль 575-725 нм, що відповідають переходам з першого збудженого стану 5D0 іону Eu3+ на 7FJ (J=04) рівні. Перекриття смуги люмінесценції іону Gd3+ при 313 нм зі смугами поглинання іону Eu3+ в кристалах Li6Gd1-xEux(BO3)3 призводить до переносу енергії Gd3+Eu3+. У рамках диполь-дипольного наближення оцінено імовірність переносу енергії Gd3+Eu3+ та критичний радіус переносу: Pdd~3104 с-1 та Rc~7 Е, відповідно. Близькість значення Rc~7 Е в порівнянні з середніми відстанями Gd-Gd у LGBO (4 Е у межах ланцюга та біля 7 Е між ланцюгами) свідчить, що електронне збудження може бути перенесене від Gd3+ до найближчих іонів Eu3+, що розташовані як у межах одного ланцюга, так і в сусідньому ланцюзі.
Опромінення кристалів Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 призводить до появи складної смуги наведеного оптичного поглинання з максимумом при 380 нм (рис. 4, 2). Інтенсивності фотолюмінесценції іонів Eu3+ та смуги ППЗ при цьому зменшуються внаслідок радіаційно-індукованого переходу Eu3+Eu2+: -опромінення. Нових ліній у спектрі фотолюмінесценції при цьому не зафіксовано. НОП може бути віднесене до поглинання іонів європію Еu2+ (4f74f65d переходи), або до поглинання центрів забарвлення на основі кисню з дефіцитом електрону (переходи між валентною зоною та локальним рівнем -центру). Комплексний характер кривої НОП свідчить, що вона обумовлена двома цими причинами. Термічний відпал ізодозно опромінених кристалів (поглинена доза 106 рад) в інтервалі температур 423-523 К призводить до їх знебарвлення, при цьому форма кривої не змінюється (рис. 4, 3). Повне термічне знебарвлення кристалів Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 відбувається в області температур основного пику ТСЛ, що дозволяє приписати ТСЛ кристалів термічному розпаду комплексних центрів забарвлення Еu2++.
Криві ТСЛ кристалів Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 подібні та представлені трьома піками при температурах T1360-370 К, T2440 К, T3465-485 К, рис. 5, що свідчить про наявність у кристалах принаймні трьох типів пасток носіїв заряду. Високотемпературні піки ТСЛ у кристалах Li6Gd1-xEux(BO3)3, Li6Y1-xEux(BO3)3 характеризуються наступними параметрами: Т466 К, E1.2 еВ, s0=3.5·1011 c-1, перший порядок кінетики, та Т488 К, E1.25 еВ, s0=1.9·1011 c-1, перший порядок кінетики, відповідно. Той факт, що криві ТСЛ неелементарні, може бути обумовлений формуванням нееквівалентних радіаційних дефектів - у структурі Li6RE(BO3)3 (RE=Gd, Y, Eu) існують шість незалежних кристалографічних позицій літію. Таким чином, є підстави для реалізації декількох варіантів формування радіаційно-індукованих дефектів у катіонній підгратці.
...Подобные документы
Процеси взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною клітин. Біологічна дія іонізуючих випромінювань. Етапи розвитку променевої хвороби. Деякі міри захисту від зовнішнього і внутрішнього опромінення. Характер радіаційного впливу на живий організм.
реферат [81,7 K], добавлен 12.04.2009Аналіз програми в випускному класі при вивченні ядерної фізики. Основні поняття дозиметрії. Доза випромінювання, види поглинутої дози випромінювання. Біологічна дія іонізуючого випромінювання. Методика вивчення біологічної дії іонізуючого випромінювання.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 24.06.2008Загальна характеристика електричного струму і основної мішені його впливу - м'язів. Застосування в медицині теплового ефекту для прогрівання тканин. Розгляд дії інфрачервоного і найбільш значимих типів іонізуючого випромінювання на організм людини.
реферат [356,4 K], добавлен 27.01.2012Моделі структур в халькогенідах кадмію і цинку. Характеристика областей існування структур сфалериту і в’юрциту. Кристалічна структура і антиструктура в телуриді кадмію. Кристалоквазіхімічний аналіз. Процеси легування. Утворення твердих розчинів.
дипломная работа [703,8 K], добавлен 14.08.2008Поглинена й експозиційна дози. Одиниці вимірювання дози випромінювання. Особливості взаємодії випромінювання з біологічними об'єктами. Дія іонізуючого випромінювання на організм людини. Залежність небезпеки від швидкості виведення речовини з організму.
реферат [38,2 K], добавлен 12.04.2009Основні фізико-хімічні властивості NaCI, різновиди та порядок розробки кристалохімічних моделей атомних дефектів. Побудування топологічних матриць, визначення числа Вінера модельованих дефектів, за якими можна визначити стабільність даної системи.
дипломная работа [1,0 M], добавлен 14.08.2008Визначення методу підсилення пасивації дефектів для покращення оптичних та електричних властивостей напівпровідників. Точкові дефекти в напівпровідниках та їх деформація. Дифузія дефектів та підсилення пасивації дефектів воднем за допомогою ультразвуку.
курсовая работа [312,3 K], добавлен 06.11.2015Метали – кристалічні тіла, які характеризуються певними комплексними властивостями. Дефекти в кристалах, класифікація. Коливання кристалічної решітки. Кристалізація — фазовий перехід речовини із стану переохолодженого середовища в кристалічне з'єднання.
курсовая работа [341,2 K], добавлен 12.03.2009Область частот гіперзвуку, його природа і шкала дії. Поширення гіперзвуку в твердих тілах. Механізм поширення гіперзвуку в кристалах напівпровідників, в металах. Взаємодія гіперзвуку зі світлом. Сучасні методи випромінювання і прийому гіперзвуку.
реферат [14,5 K], добавлен 10.11.2010Впорядкованість будови кристалічних твердих тіл і пов'язана з цим анізотропія їх властивостей зумовили широке застосування кристалів в науці і техніці. Квантова теорія твердих тіл. Наближення Ейнштейна і Дебая. Нормальні процеси і процеси перебросу.
курсовая работа [4,3 M], добавлен 04.01.2010Основні властивості неупорядкованих систем (кристалічних бінарних напівпровідникових сполук). Характер взаємодії компонентів, її вплив на зонні параметри та кристалічну структуру сплавів. Електропровідність і ефект Холла. Аналіз механізмів розсіювання.
реферат [558,1 K], добавлен 07.02.2014Система Pb-S. Константи рівноваги квазіхімічних реакцій утворення власних атомних дефектів Френзеля у кристалах Pb-S. Константи рівноваги квазіхімічних реакцій утворення власних атомних дефектів у халькогенідах свинцю на основі експериментальних даних.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 09.06.2008Природні джерела випромінювання, теплове випромінювання нагрітих тіл. Газорозрядні лампи високого тиску. Переваги і недоліки різних джерел випромінювання. Стандартні джерела випромінювання та контролю кольору. Джерела для калібрування та спектроскопії.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 13.12.2010Кристалічна структура та фононний спектр шаруватих кристалів. Формування екситонних станів у кристалах. Безструмові збудження електронної системи. Екситони Френкеля та Ваньє-Мотта. Екситон - фононна взаємодія. Екситонний спектр в шаруватих кристалах.
курсовая работа [914,3 K], добавлен 15.05.2015Порівняння характеристик щільності енергії та потужності випромінювання. Електрони і як вони взаємодіють електромагнітні поля важливі для нашого розуміння хімія і фізика. Квантові та класичні процеси викидів, довжини хвиль комерційно доступних лазерів.
реферат [1,6 M], добавлен 10.06.2022Природа та одержання рентгенівського випромінювання. Гальмівне та характеристичне рентгенівське випромінювання, його спектри. Рентгенівські спектри атомів. Поглинання та розсіяння рентгенівського випромінювання, застосування в медицині, хімії, біології.
реферат [623,6 K], добавлен 15.11.2010Теплове випромінювання як одна з форм енергії. Теплові і газоразрядні джерела випромінювання. Принцип дії та призначення світлодіодів. Обґрунтування та параметри дії лазерів. Характеристика та головні властивості лазерів і можливість їх використання.
контрольная работа [51,0 K], добавлен 07.12.2010Поняття теплового випромінювання, його сутність і особливості, основні характеристики та спеціальні властивості. Різновиди випромінювання, їх відмінні риси, джерела виникнення. Абсолютно чорне тіло, його поглинаючі властивості, місце в квантовій теорії.
реферат [678,2 K], добавлен 06.04.2009Комбінаційне і мандельштам-бріллюенівське розсіювання світла. Властивості складних фосфорвмісних халькогенідів. Кристалічна будова, фазові діаграми, пружні властивості. Фазові переходи, пружні властивості, елементи акустики в діелектричних кристалах.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 25.10.2011Сучасні системи опалення. Автономні системи опалення житла. Як розрахувати потужність обігрівача. Інфрачервоні промені. Прозорість, віддзеркалення, заломлення. Вплив інфрачервоного випромінювання. Оптичні властивості речовин в ІК-області спектру.
реферат [24,6 K], добавлен 25.06.2015
