Електронно-стимульовані явища у кріокристалах інертних елементів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна

УДК 538.958

01.04.07 - Фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Електронно-стимульовані явища у кріокристалах інертних елементів

Хижний Іван Валерійович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор, Савченко Олена Володимирівна, Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України провідний науковий співробітник відділу спектроскопії конденсованих молекулярних систем.

Офіційні опоненти:

- доктор фізико-математичних наук, професор, Остапенко Ніна Іванівна, Інститут фізики НАН України, провідний науковий співробітник відділу фотоактивності

- доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Константинов В'ячеслав Олександрович Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України завідувач відділу теплових властивостей молекулярних кристалів

Захист відбудеться "19" жовтня 2010 р. о 15 годині на засіданні

Спеціалізованої вченої ради Д 64.175.03 при Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України за адресою: 61103, м. Харків, пр. Леніна, 47.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ФТІНТ ім. Б.І. Вєркіна НАН України (м. Харків, пр. Леніна, 47).

Автореферат розісланий "15" вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор фізико-математичних наук, професор Сиркін Є.С.

Анотації

Хижний І.В. Електронно-стимульовані явища у кріокристалах інертних елементів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.07 - фізика твердого тіла. Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, Харків, 2010 р.

Дисертаційна робота присвячена експериментальному дослідженню електронно-стимульованих явищ у кріокристалах інертних елементів, попередньо опромінених іонізуючим випромінюванням.

Вперше зареєстровано термо- та фотостимульовану екзоелектронну емісію з атомарних кріокристалів Ne та Xe.

За допомогою комплексного експериментального дослідження оптичними та струмовими методами активаційної спектроскопії виявлено новий механізм релаксації у системі локалізованих заряджених часток, в основі якого лежить випромінювальна рекомбінація домішкових атомів.

Виявлено ефект аномально сильної низькотемпературної "пост-десорбції" атомів та запропоновано механізм цього явища.

Визначено енергетичні рівні електронно-стимульованих структурних дефектів у твердому Ne (~20 meV) і твердому Xe (~40 meV). Для твердого Ne встановлено їх атомну конфігурацію.

Ключові слова: атомарні кріокристали, релаксаційні процеси, активаційна спектроскопія, термостимульована екзоелектронна емісія, електронно-стимульовані дефекти структури.

Хижный И.В. Электронно-стимулированные явления в криокристаллах инертных элементов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины, Харьков, 2010 г.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию электронно-стимулированных процессов в криокристаллах инертных элементов, предварительно облученных ионизирующим излучением.

В диссертационной работе проведены экспериментальные исследования электронно-стимулированных процессов на модельных объектах - криокристаллах инертных элементов. Облучение криокристаллов производилось электронами с энергиями ниже порога образования структурных дефектов по ударному механизму. В результате облучения электронами в криокристаллах накапливаются зарядовые центры - автолокализованные дырки и электроны в ловушках, т.е. такие кристаллы содержат замороженную плазму.

В работе впервые зарегистрирована термостимулированная экзоэлектронная эмиссия из предварительно облученных подпороговыми электронами криокристаллов инертных элементов. Было установлено, что это явление наблюдается как для криокристаллов, обладающих отрицательным сродством к электрону (Ne), так и для криокристаллов, у которых энергия сродства положительная (Xe).

Основываясь на обнаружении этого явления, была разработана экспериментальная методика, которая обеспечивает одновременный мониторинг в реальном времени нескольких каналов релаксационных процессов, сопровождающихся эмиссией фотонов, электронов и нейтральных частиц.

Проведенный анализ позволил четко идентифицировать процессы релаксации в системе заряженных и в системе нейтральных частиц, а также впервые выявить их взаимосвязь.

Обнаружен новый механизм релаксации в системе, содержащей как заряженные, так и нейтральные метастабильные центры, в основе которого лежат процессы атом-атомной рекомбинации, сопровождающиеся излучением фотонов (hн~1 эВ). Установлено, что этот свет переводит электроны в зону проводимости (внутренний фотоэффект) и стимулирует электрон-дырочную рекомбинацию с излучением света в ВУФ диапазоне (hн~10 эВ) (преобразование света с повышением частоты). Конкурирующим процессом, обнаруженным в ходе экспериментов, является выход электронов с поверхности образца (экзоэлектронная эмиссия).

При помощи разработанной методики было исследовано электронно-индуцированное образование структурных дефектов твердом неоне и твердом ксеноне и определено положение энергетических уровней дефектов в запрещенной зоне. Установлена атомная конфигурация электронно-индуцированных дефектов в твердом неоне путем сравнения экспериментальных данных с теоретическими расчётами.

Обнаружена аномально сильная низкотемпературная "пост-десорбция" при термостимуляции предварительно облученных подпороговыми электронами криокристаллов и предложен двустадийный механизм этого явления. Экспериментально показано, что стимулирующим фактором является высвобождение локализованных электронов из ловушек и последующая рекомбинация с дырками, при которой образуются эксимерные молекулы. Их распад приводит к появлению атомов с дополнительной кинетической энергией, способных выйти с поверхности криокристалла. Предложен краудионный механизм передачи энергии из объема кристалла к поверхности.

Ключевые слова: атомарные криокристаллы, релаксационные процессы, активационная спектроскопия, термостимулированная экзоэлектронная эмиссия, электронно-стимулированные дефекты структуры, атом-атомная рекомбинация.

Khyzhniy I.V. Electronically-stimulated phenomena in rare gas solids. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's degree of Physical and Mathematical Sciences by speciality 01.04.07 - Solid State Physics. B.I. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering, NAS of Ukraine, Kharkov, 2010.

The thesis is devoted to experimental study of the electronically-stimulated processes in rare gas solids pre-irradiated by ionizing radiation.

Thermally- and photon-stimulated exoelectron emission from аtomic cryocrystals (solid Ne and solid Xe) was detected for the first time.

By means of combined optical and current activation spectroscopy methods a new relaxation mechanism in the subsystem of localized charged particles was revealed. This mechanism is based on radiative recombination of neutral dopant atoms.

Anomalous low-temperature post-desorption of rare gas atoms was revealed. A mechanism of this phenomenon was proposed.

Trap energy levels corresponding to electronically-stimulated structural defects in solid Ne (~20 meV) and in solid Xe (~40 meV) were estimated. The atomic configuration of these defects in solid Ne was determined.

Key words: аtomic cryocrystals, electronically-stimulated processes, actiаvation spectroscopy, thermally stimulated exoelectron emission, electronically-stimulated structural defects.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним з найбільш радикальних способів змінення фізичних та хімічних властивостей твердих тіл є збудження електронної підсистеми, зокрема, опромінення іонізуючим випромінюванням. Цим пояснюється незгасний інтерес дослідників, працюючих у різноманітних галузях науки та техніки, до механізмів складної сукупності процесів, стимульованих взаємодією цих випромінювань з речовиною. Дослідження електронно-стимульованих процесів представляється актуальним не тільки для фундаментальної фізики конденсованого стану, але й для численних практичних застосовувань. Практичні аспекти цього інтересу пов'язані, з одного боку, із з'ясуванням механізмів, які забезпечують контрольоване и цілеспрямоване змінювання властивостей речовин, які використовуються у нових технологіях (мікро- та наноелектроніка, запам'ятовуючі середовища, перетворювачі та детектори випромінювань, фотофізика та фотохімія). З іншого боку надзвичайно корисно з'ясувати причини небажаних змінень властивостей опромінюваних речовин та знайти можливі способи боротьби з такими зміненнями.

Кріокристали інертних елементів належать до специфічного класу речовин - атомарних кріокристалів, які характеризуються особливими властивостями: простою кристалічною та електронною структурою, малими енергіями зв'язку, найбільш широкими забороненими зонами. Завдяки такому поєднанню фізичних властивостей атомарні кріокристали традиційно розглядаються як модельні об'єкти фізики твердого тіла ^[1,2,3]. Крім того, в атомарних кріокристалах спостерігаються ярко виражені ефекти автолокалізації електронних збуджень, що особливо суттєво з точки зору ефективності електронно-стимульованих процесів.

Основна увага у даній роботі приділялася процесам, які відбуваються у кріокристалах інертних елементів після закінчення збудження. Саме ці процеси, аналіз яких містить важливу інформацію о радіаційних дефектах и їх стабільності, виявились майже невивченими. В роботі досліджувались різні гілки структурної та енергетичної релаксації в твердих Ne та Xe.

Зв'язок роботи з науковими темами, планами. Дисертаційна робота виконана у Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України у відповідності з планами наукової діяльності за темами:

- "Квантові та ангармонічні явища в молекулярних кристалах і рідинах при низьких та наднизьких температурах" (номер держ. реєстрації 0102U003098)

- "Молекулярні тверді тіла та наноструктури при низьких температурах" (номер держ. реєстрації 0107U000941)

Частина роботи виконана в рамках міжнародних проектів:

- Deutsche Forschungsgemeinschaft "Solvation effects and electron-driven processes" GZ: 436 113/31/0-3.

- "Defect Formation Induced by Electronic Transitions (DFIET) as a Probe of Relaxation Channels and a Key to Controlled Modification of Materials" 436 UKR 113/55/0

Мета і задачі дослідження: полягає у виявленні механізмів енергетичної та структурної релаксації в атомарних кріокристалах Ne та Xe з великою концентрацією електронів, локалізованих на дефектах (заморожена плазма). Мета передбачає виконання таких завдань:

- вимірювання спектрів катодо- та термолюмінесценції кріокристалів Ne та Xe

- розробка та застосування експериментального підходу з одночасним використанням методів токової та оптичної активаційної спектроскопії кріокристалів

- отримання інформації о процесах енергетичної та структурної релаксації на поверхні та в об'ємі кріокристалів.

- відокремлення процесів релаксації енергії у підсистемах нейтральних та зарядових часток у кріокристалах Ne та Xe

- знаходження енергетичних рівнів електронно-стимульованих дефектів у забороненій зоні кріокристалів Ne та Xe.

Об'єктом дослідження є явища, стимульовані електронними збудженнями.

Предметом дослідження процеси релаксації атомної та електронної підсистеми кріокристалів, їх взаємозв'язок

Методи дослідження: використовувалась катодолюмінесцентна та фотолюмінесцентна спектроскопія у поєднанні з комплексом методів активаційної спектроскопії, які дозволяють одночасно контролювати кілька каналів релаксації у кріокристалах, а саме - термолюмінесцентна спектроскопія, вимірювання термо- и фото-стимульованої екзоелектронної емісії, а також реєстрація десорбції нейтральних атомів. Для одночасного застосування токової та оптичної активаційної спектроскопії була розроблена спеціальна експериментальна установка. Експерименти здійснювались у ФТІНТ ім. Вєркіна НАН України, Технічному університеті Мюнхена (Німеччина), а також у міжнародному синхротронному центрі DESY (Німеччина).

Наукова новизна отриманих результатів:

В роботі вперше зареєстровано термостимульовану екзоелектронну емісію з попередньо опромінених підпороговими електронами твердого неону та ксенону, які мають спорідненість до електрону протилежного знака.

Базуючись на виявленні цього явища, була розроблена експериментальна методика, яка забезпечує одночасний моніторинг в реальному часі кількох релаксаційних емісій: емісію фотонів, електронів та нейтральних часток.

Проведений аналіз дозволив чітко ідентифікувати процеси релаксації в системі заряджених та в системі нейтральних часток, а також вперше виявити їх взаємозв'язок.

Виявлено новий механізм релаксації в системі заряджених часток, в основі якого лежать процеси атом-атомної рекомбінації, які супроводжуються випромінюванням фотонів.

За допомогою розробленої методики було досліджено електронно-стимульоване утворення структурних дефектів у твердому неоні та ксеноні та визначено положення енергетичних рівней дефектів у забороненій зоні. Встановлено атомну конфігурацію електронно-стимульованих дефектів в твердому неоні шляхом порівняння експериментальних даних з теоретичними розрахунками.

Виявлено аномально сильну низькотемпературну "пост-десорбцію" при термостимуляції попередньо опромінених підпороговими електронами кріокристалів та запропоновано механізм цього явища.

Наукове й практичне значення отриманих результатів. результати роботи можуть бути корисними не лише для розвитку фундаментальних уявлень про процеси, пов'язані з релаксацією та локалізацією електронних збуджень у діелектричних кристалах, але й для низки технічних застосувань, а також для суміжних областей фізики та хімії, таких як фізика поверхні, астрофізика, кріохімія. З технічних застосувань найбільш важливими є дозиметрія (детектори), ядерна фізика (модератори), космічне матеріалознавство та кріогенна вакуумна техніка, працююча у полі іонізуючих випромінювань. Крім того, отримані дані мають безпосереднє відношення до проблеми керованої модифікації властивостей твердих тіл через їх електронну підсистему і можуть бути використані для її розв'язання.

Особистий внесок здобувача. матеріали, які складають основу дисертаційної роботи, опубліковані у працях [1] - [7], виконаних у співавторстві. У працях [1],[2],[5], [6], [7] здобувач приймав участь у вимірюваннях термолюмінесценції, екзоелектронної емісії, спектрів катодолюмінесценції і в обробці експериментальних даних. У праці [3] здобувач приймав участь у вимірах термостимульованої екзоелектронної емісії, десорбції та аналізі результатів. В роботі [4] автором було виконано вимірювання спектру термолюмінесценції твердого ксенону після селективного збудження синхротронним випромінюванням та проведено аналіз з використанням раніше отриманих даних. Здобувач приймав участь у розробці методики одночасних вимірювань термолюмінесценції та термостимульованої екзоелектронної емісії, у модернізації експериментальних установок, обговоренні отриманих результатів на міжнародних конференціях и в написанні статей, які увійшли у дисертаційну роботу. Внесок дисертанта у даній роботі є визначальним.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи було представлено і обговорено на таких міжнародних та національних наукових конференціях: XVI Intrenational School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals", Sebastopol, Ukraine, 25.05.-1.06.2003; The 15-th International Conference on Defects in Insulating Materials ICDIM-2004, Riga, Latvia, 11.07 - 16.07.2004; Fifth International Conference on Low Temperature Chemistry (LTC5), Berlin-Dahlem, Germany, 7.09-10.09.2004; V International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals (CC-2004), 29.08-04.09.2004, Wroclaw, Poland; Міжнародна конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики "Еврика-2004" (Eureka-2004), Львів, 19-21 травня 2004 р. ; Конференція молодих вчених "Фізика низьких температур (КМВ-ФНТ-2005)", Харків (Україна), 24-26 травня 2005р. ; International Conference on the Elementary Processes in Atomic Systems, Miskolc (Hungary), 31.08- 02.09.2005; XVII Intrenational School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals", Beregove, Crimea, Ukraine, 20.09.-26.09.2005; European Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LUMDETR 2006), Lviv, Ukraine, 11.03-15.03.2004; VI-th International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals (CC-2006), 3.09-07.09.2006, Kharkov, Ukraine; International Conference on Desorption induced by electronic transitions (DIET11), Berlin, Germany, 11.03-15.03.2007; 7-th International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals (CC-2008), 31.07-05.08.2008, Wroclaw, Poland; The 7-th International Conference of Low Temperature Chemistry, 24 - 29 August 2008, Helsinki, Finland; Конференція молодих вчених "Фізика низьких температур (КМВ-ФНТ-2009)", Харків, Україна, 01.07 - 05.07.2009; 7-th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LUMDETR 2009), 12-17 July 2009, Krakow, Poland; 2-nd International Conference on Physics of Optical Materials and Devices ICOM 2009, Herceg Novi, Montenegro, 26-31 August 2009; 24-th International Conference on Atomic Collisions in Solids (ICACS-2010) 18-23 July 2010, Krakow, Poland,. Тези доповідей опубліковано.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 23 наукових працях, з них 7 статей у реферованих наукових журналах, та 16 тез доповідей на міжнародних та національних наукових конференціях.

Структура дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку цитованої літератури. Загальний обсяг дисертації - 155 сторінок. Дисертація містить 57 рисунків та 9 таблиць. Список цитованої літератури складається зі 105 найменувань.

Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, сформульовано мету дисертаційної роботи та задачі, які потрібно вирішити для її досягнення, показано наукову новизну отриманих результатів, а також їх наукове і практичне значення, висвітлено загальну структуру дисертаційної роботи.

В першому розділі наведено огляд літературних даних присвячених електронно-стимульованим явищам у кріокристалах. У кріокристалах інертних елементів до виконання цієї роботи були проведені докладні дослідження структури та динаміки екситонів. Було виявлено екситонно-стимульоване утворення та накопичування дефектів кристалічної ґратки під час опромінення електронами з енергією не достатньою для утворення стабільних точкових дефектів по ударному механізму та при селективному збудженні екситонів. Показано, що процес автолокалізації екситонів є стимулюючим фактором для утворення точкових дефектів ґратки, також як і для десорбції нейтральних атомів в основному та збудженому станах. Проте атомна конфігурація екситонно-стимульованих дефектів не була визначена.

Основна увага дослідників була зосереджена на вивченні процесів, які відбуваються у кріокристалах інертних елементів під час опромінення, а релаксаційні процеси, які відбуваються після припинення збудження - "пострадіаційні", систематично не досліджувались. З методів активаційної спектроскопії, які використовуються для вивчення радіаційних дефектів у кристалах, лише в кількох роботах використовувалась термолюмінесценція (при дослідженні кристалів Ar, Kr и Xe). Термолюмінесценція твердого Ne не була виміряна. Більш того, якщо урахувати той факт, що термолюмінесценція (ТСЛ) може спостерігатися як в результаті рекомбінації нейтральних часток (атом-атомна рекомбінація), так і в результаті рекомбінації зарядів, стає очевидним необхідність застосування поряд з оптичними токових методів. Однак токові методи активаційної спектроскопії практично не застосовувались.

В результаті аналізу літературних даних, стала очевидною доцільність досліджень релаксаційних процесів у попередньо опромінених кріокристалах інертних елементів із застосуванням комбінації оптичних та токових методів активаційної спектроскопії. Обґрунтовано вибір об'єктів (Ne, Xe) з ряду кріокристалів. Такий вибір було зроблено з наступних причин:

по-перше, електронно-стимульоване дефектоутворення та десорбція були виявлені в обох речовинах, але механізми протікання цих процесів різні, а саме, в твердому неоні - шляхом автолокалізації екситонів у атомарні стани, а в твердому ксеноні - шляхом автолокалізації екситонів у молекулярні стани;

по-друге, рухливості автолокалізованих дірок дуже малі та порівняні по величині у твердих неоні та ксеноні, в той час як рухливості електронів відрізняються на порядок (в твердому ксеноні рухливість електронів вища);

по-третє, обрані кріокристали мають спорідненість до електрону протилежного знаку - негативну для твердого неону (Е_а = -1,3 eV) та позитивну для твердого ксенону (Е_а = 0,5 eV) ^[3].

В другому розділі обґрунтовано вибір методів дослідження, коротко розглянуто фізичні основи використаних експериментальних методів, описано приготування зразків, наведено схеми та основні характеристики експериментальних установок і детально викладена методика експериментів.

Основними методами дослідження були катодолюмінесцентна та фотолюмінесцентна спектроскопія у поєднанні з комплексом методів активаційної спектроскопії, які дозволяють одночасно контролювати кілька каналів релаксації у кріокристалах, а саме - термолюмінесцентна спектроскопія, вимірювання термо- и фото-стимульованої екзоелектронної емісії, а також реєстрація десорбції нейтральних атомів.

Проведення експериментів по дослідженню оптичних характеристик кріокристалів інертних елементів пов'язане з подоланням технічних труднощів, зумовлених незвичайними фізичними властивостями досліджуваних об'єктів ^[1] та спектральною областю вимірювань. Завдяки великій ширині забороненої зони (~ 10 eV) цих кріокристалів спектри їх елементарних електронних збуджень знаходяться в області вакуумного ультрафіолету, де коефіцієнти пропускання та відбиття більшості матеріалів дуже малі, та майже не існує інтенсивних, достатньо доступних джерел суцільного спектру, придатних для абсорбційної спектроскопії. Завдяки низьким температурам плавлення та сублімації цих речовин вирощування зразків та їх дослідження потребують поєднання в експериментальній установці кріогенної та високовакуумної техніки.

Зразки кріокристалів отримувалися з газової фази напиленням на холодну підкладку кріостату. Кріокристали опромінювалися електронами за допомогою електронної гармати. Енергія електронів була нижче порогу утворення структурних дефектів у кріокристалах по ударному механізму. За допомогою вакуумного монохроматора ВМP-1 вимірювались спектри катодолюмінісценції, а також повний та спектрально розділені виходи термолюмінесценції. Тиск у вакуумній камері зразка складав 10^{-7 -} 10^-8 мм.рт.ст.

В результаті опромінення у кріокристалах утворювалися електрон-діркові пари, електронно-стимульовані дефекти структури та у допованих кристалах фрагменти домішок. У зв'язку з тим, що дірки мають властивість автолокализуватися, а електрони локалізуються на різного типу дефектах або домішках, попередньо опромінений кристал містить велику кількість розділених у просторі електронів та дірок (заморожена плазма). При низьких температурах та при відсутності опромінення світлом така система є стабільною, оскільки нема можливості для електрон-діркової рекомбінації. При підвищенні температури або опроміненні світлом у видимому діапазоні спектру електрони звільняються з пасток та рухаються по кристалу. В результаті цього починається каскад процесів релаксації енергії, накопиченої під час опромінення електронами.

Після закінчення опромінення кристалів починався нагрів з метою реєстрації спектрів термолюмінесценції ТСЛ та виходу екзоелектронної емісії ТСЕЕ. Було розроблено методику одночасного вимірювання виходу фотонів та електронів (екзоелектронної емісії) з поверхні попередньо опромінених зразків поряд з реєстрацією десорбції нейтральних часток іонізаційним детектором. Опромінення здійснювалось електронами з енергіями від 100 до 1000 еV. Струм екзоелектронної емісії вимірювався за допомогою електроду, у центрі якого був отвір для проходження світла. Таким чином, одночасно вимірювалися ТСЕЕ та ТСЛ. Це дало можливість розділити процеси, які протікають у підсистемах зарядових та нейтральних часток у кріокристалах та дослідити їх кореляцію. Для реєстрації спектрів катодо- та термолюмінесценції використовувався спектрометр Ocean Optics.

У тих випадках, коли після вимкнення опромінення зразка спостерігалося явище післяемісії, в першу чергу реєструвалась залежність сили струму післяемісії від часу одночасно з післясвітінням. При цьому зразки витримувались при постійній (низькій) температурі. Тільки після того, як післяемісія завершувалась, (сила струму виходила на деяке постійне значення), починався нагрів зразків. У більшості випадків зразки нагрівалися з постійною швидкістю, тобто температура зростала по лінійному закону. При цьому знімалась залежність сили струму термостимульованої екзоелектронної емісії та емісії фотонів від температури.

Похибка вимірювань не перевищувала 1%.

Третій розділ. В процесі виконання дисертаційної роботи вперше для твердого Ne було застосовано методи активаційної спектроскопії. Було виявлено ефект термостимульованої екзоелектронної емісії з твердого Ne попередньо опроміненого іонізуючим випромінюванням та вперше зареєстровано ТСЛ. Комбінація струмових та оптичних вимірювань (термостимульованої екзоелектронної емісії та термолюмінесценції) дозволила отримати нові результати у зв'язку з тим, що такий підхід дав можливість одночасно контролювати канали енергетичної релаксації в системах нейтральних та зарядових центрів у кристалі.

Типові виходи ТСЛ та ТСЕЕ наведені на рис. 1. Необхідно відмітити, що в твердому неоні відсутній бар'єр для виходу електронів з поверхні кристалу у вакуум в зв'язку з негативною спорідненістю до електрону.

Зондування зразків по товщині за допомогою електронів з різними енергіями (рис. 2) дало можливість розділити піки пов'язані з поверхневими та об'ємними електронними пастками. Низькотемпературні максимуми не збільшуються при збільшенні енергії (тобто глибини проникнення) електронів, в той час, як інтенсивність "об'ємних" зростає.

Рис.1 Кореляція ТСЛ та ТСЕЕ з твердого Ne.



Рис.2 ТСЕЕ з твердого Ne опроміненого електронами з різними енергіями.

З метою визначення товщини активного шару ТСЕЕ (глибина зразку, з якої електрони можуть досягати поверхні кристалу та виходити у вакуум, було проведено експерименти по вимірюванню ТСЕЕ для зразків твердого неону різної товщини. На рис. 3 наведено криві ТСЕЕ зі зразків твердого неону в залежності від часу напилення (від товщини зразка). Крім того були проведені експерименти з напиленням шарів неопроміненого твердого неону різної товщини поверх опроміненого зразка. Оцінена з цих експериментальних даних товщина активного шару ТСЕЕ складає 10 мкм.

Рис.3 ТСЕЕ зі зразків твердого Ne різної товщини, а також інтегральне значення струму ТСЕЕ для піка при 10,5К та плеча при 8К.

Дозова залежність кривих ТСЕЕ (залежність від потужності електронного пучка), показана на рис. 4, дозволила з'ясувати, який саме максимум (при Т=10,5 К) відповідає радіаційно-стимульованим дефектам структури у кристалічному Ne.

Рис. 4 ТСЕЕ з твердого Ne в залежності від потужності електронного пучка.

Було встановлено кореляцію максимумів на кривих ТСЛ та ТСЕЕ, які відповідають електронно-стимульованим дефектам (максимуми при Т=10,5 К на рис. 1). При цій температурі має місце відпал електронно-стимульованих дефектів та звільнення електронів з відповідних пасток. Було досліджено електронно-стимульовані дефекти структури в твердому неоні, опроміненому електронами з енергіями нижче порога утворення структурного дефекту по ударному механізму. Для оцінки глибини електронної пастки, яка відповідає цим дефектам використовувалися такі методи активаційної спектроскопії, як метод початкового зростання, метод полуширини ^[4]. Використовувались криві ТСЕЕ у зв'язку з тим, що вони мають більш чітку структуру у порівнянні з кривими ТСЛ. Оцінена величина склала 20±5 меV, що знаходиться у згоді з теоретичною оцінкою ^[5]. Завдяки порівнянню отриманих експериментальних даних з результатами теоретичних розрахунків роботи ^[5] було визначено атомну конфігурацію електронно-стимульованих дефектів, які утворюються в твердому Ne по механізму автолокалізації екситонів у стани атомарного типу (рис. 5).

Рис.5 Атомна конфігурація пар Френкеля, утворених в твердому Ne в результаті автолокалізації екситонів у стани атомарного типу.

Ці точкові дефекти (пари Френкеля, які є стабільним при Т < 10 К) є результатом процесів, які мали місце у електронній підсистемі кристалу під час опромінення іонізуючим випромінюванням. Під час автолокалізації екситону енергія електронного збудження концентрується у малому об'ємі кристалу, порівняному з об'ємом елементарної комірки. В результаті релаксації цієї енергії відбувається пластична деформація кристалічної ґратки та утворюються дві пари Френкеля, показані на рис 5.

Виявлено та досліджено явище аномальної низькотемпературної "пост-десорбції" з твердого Ne, попередньо опроміненого іонізуючим випромінюванням. На рис. 6 показано вихід десорбції атомів Ne з поверхні кристалічного неону для неопроміненого (1) та опроміненого електронами (2) зразків. Крива 3 є різницею між кривими 1 та 2. Максимум десорбції, пов'язаної з опроміненням електронами спостерігається при тій самій температурі (Т=10,5 К), при якій мають максимуми ТСЛ та ТСЕЕ. Було показано, що ініціювальним фактором для десорбції є звільнення електронів з пасток та подальша електрон-діркова рекомбінація. З'ясовано, що електронно-стимульовані дефекти кристалічної ґратки грають визначальну роль в цьому явищі.



Рис.6 Вихід десорбції атомів Ne з поверхні твердого неону. Крива 1 - для неопроміненого зразка, крива 2 - для зразка, попередньо опроміненого електронами. Крива 3 - їх різниця.

Вперше зареєстровано фотостимульовану екзоелектронну емісію (зовнішній фотоефект) з твердого Ne (рис. 7). Це дозволило завбачити суттєвий вплив процесів, які супроводжуються випромінюванням світла у видимому діапазоні, на процеси переносу енергії та заряду у попередньо опромінених діелектриках з широкими забороненими зонами.

Рис. 7 Зовнішній фотоефект з твердого неону та ксенону

Четвертий розділ присвячено вивченню електронно-стимульованих явищ та процесів релаксації у кріокристалах Xe. Дослідження виконано за допомогою методів активаційної спектроскопії у поєднанні з ВУФ спектроскопією при селективному збудженні синхротронним випромінюванням та електронами з енергіями нижче порогових.

Головною особливістю емісійних спектрів кріокристалів Xe є полоса ексимерного світіння, так звана М-смуга, яка зобов'язана переходу ^1,3?_u⁺ > ¹?_g⁺ молекули Xe₂^*, яка утворюється в результаті автолокалізації екситонів або рекомбінації автолокалізованих дірок з електронами. Як доведено експериментами з селективного фотозбудження з подальшим вимірюванням термостимульованої люмінесценції, спектральний розподіл люмінесценції у цих спектрах майже співпадає. На рис. 8 наведено порівняння люмінесценції твердого ксенону при збудженні фотонами з енергією Е=8,86 еV із спектром термолюмінесценції.

Рис. 8 Люмінесценція твердого Xe, збудженого фотонами з енергією Е=8,86 еV (верхня крива) та спектр термолюмінесценції (нижня крива).

Було виявлено існування двох підполос молекулярної люмінесценції у спектрі рекомбінаційної люмінесценції твердого Xe: компонента, пов'язана з присутністю дефектів та компонента, зобов'язана рекомбінації дірок, автолокалізованих у регулярній ґратці, з електронами.

Вперше зареєстровано термостимульовану емісію екзоелектронів з твердого Xe, попередньо опроміненого зарядовими частками. Виявлено кореляцію положення максимумів ТСЛ и ТСЕЕ поряд з конкуренцією величин виходів фотонів та електронів (рис 9). Цей ефект продемонстрував, що електронно-стимульованими дефектами є близькі пари Френкеля.

Порівняльний аналіз дозової залежності дефектної компоненти люмінесценції з дозовою залежністю максимумів термостимульованої люмінесценції дозволив ідентифікувати максимум, який відповідає електронно-стимульованим дефектам. На рис. 9 наведено яким типам пасток відповідають основні максимуми на кривих ТСЛ та ТСЕЕ.

Як було доведено в експериментах зі зразками різної товщини та зондуванню зразків електронами різних енергій, низькотемпературні піки зумовлені звільненням електронів з мілких пасток, які знаходяться на поверхні кристалу.

Рис. 9 Кореляція ТСЛ та ТСЕЕ з твердого Xe

Було встановлено, що максимуми при 22К пов'язані з присутністю домішки кисню. Під час опромінення електронами молекула кисню розпадається на атоми. Після закінчення опромінення під час нагріву починається термостимульована дифузія атомів О. При температурі 22 К атоми починають зустрічатися та формувати молекулі О ₂^* у збудженому стані. В результаті переходу в основний стан випромінюється світло у видимому діапазоні спектру, яке, в свою чергу, може звільняти електрони з пасток та запускати канали енергетичної релаксації, пов'язані з електрон-дірковою рекомбінацією (з випромінюванням світла у ВУФ діапазоні) або з виходом електронів з поверхні кристалу. Отримані експериментальні дані свідчать про те, що пік у ТСЛ та ТСЕЕ при Т=33 К пов'язан з анігіляцією електронно-стимульованих дефектів у твердому Xe. Піки при 45К зумовлені визволенням електронів з дефектів росту кристалу, які не пов'язані з опроміненням електронним пучком. Піки у ТСЕЕ при температурі вище 70 К пов'язані з сублімацією зразка.

Визначено характерну енергію активації для анігіляції електронно-стимульованих дефектів в твердому Xe, яка складає 42±5 meV. Для цього було використано кілька експериментальних методик: метод різних швидкостей нагріву (1.6, 3.2 и 5 К/хв.), метод початкового зростання та метод чистки кривої ТСЛ. Результати, отримані різними методами з різних експериментальних даних, знаходяться у згоді один з одним. Величина E_a=42±5 meV є характерною енергією активації для анігіляції радіаційно-стимульованих дефектів в твердому ксеноні.

Вперше було зареєстровано явище фотостимульованої екзоэлектронної емісії - ФСЕЕ (зовнішній фотоефект) з опроміненого зарядовими частками твердого Xe (рис. 7). Під дією фотонів з довжиною хвилі у видимому діапазоні спектру електрони можуть бути звільненими як з глибоких, так і з мілких пасток (завдяки широкій зоні провідності твердого ксенону - кілька електрон-вольт). У зоні провідності електрони, які поводяться як вільні носії заряду, можуть доходити до поверхні кристалу та виходити у вакуум.

Вперше спостережено явище аномальної низькотемпературної десорбції атомів Xe з поверхні попередньо опроміненого твердого Xe. На рис. 10 показано вихід десорбції атомів ксенону з поверхні кристалу (крива Р - тиск у вакуумній камері зразка). Кореляція з рекомбінаційною люмінесценцією а також з виходом електронів з кристалу свідчить про зв'язок між цими процесами. Було встановлено, що це явище має двостадійний характер. На першому етапі електрони звільнюються з пасток, а на другому має місце електрон-діркова рекомбінація, в результаті якої створюється ексимерна молекула Xe₂^*. В результаті радіаційного розпаду цієї молекули при переході на відштовхувальну частину потенційної кривої основного стану атоми Xe отримують достатньо кінетичної енергії для виходу з поверхні кристалу.



Рис. 10 Кореляція ВУФ ТСЛ, ТСЕЕ та виходу десорбції (Р) з твердого Xe.

Процес аномальної низькотемпературної десорбції з поверхні твердого Xe можна представити за допомогою наступних реакцій:

1 етап: з + Xe₂⁺ > Xe₂^* + ?E₁

2 етап: Xe₂^* >Xe + Xe + ?E_{кінетич} + hн (М-смуга)

Зв'язок десорбції з електрон-дірковою рекомбінацією було встановлено в експериментах з дозовою залежністю інтегральної величини піка десорбції, а також з порівняння виходу десорбції з неопроміненого та опроміненого електронами зразків.

ВУФ випромінювання твердого Xe (М-смуга) зобов'язане переходу ^1,3?_u⁺ > ¹?_g⁺ ексимерної молекули Xe₂^*, яка утворюється в результаті реакції рекомбінації. Після переходу на відштовхувальну частину потенціальної кривої основного стану (другий етап) надлишкова енергія (0,86 эВ) розподіляється між двома атомами ксенону. Завдяки цьому з'являються два "гарячих" атома Xe поблизу поверхні з енергією приблизно 0,43 eV, яка може бути направлена на процес десорбції.

Існує також інша можливість реалізації процесу десорбції (або дефектоутворення), що пов'язана з перебудовою ґратки, яка відбувається під час існування збудженого стану. Реакція нейтралізації призводить до утворення димеру Xe₂^*. Його зміщення протягом життя збудженого стану може викликати десорбцію в разі, якщо процес протікає безпосередньо поблизу поверхні. Однак це припущення потребує експериментальної перевірки. кріокристал інертний випромінювання атом

Процес десорбції може бути також викликаний звільненням енергії у глибині кристалу з подальшим її переносом до поверхні. Механізм переносу енергії було розглянуто у теоретичній роботі ^[6]. Згідно моделі, запропонованої авторами, такий перенос може здійснюватися за допомогою краудионів - нелінійних солітонних хвиль зміщень уздовж щільно упакованих атомних рядів. Автори показали, що такі квазичастки існують в атомарних кріокристалах. Приймаючи до уваги, що енергетичний бар'єр для зміщення краудиона менше, ніж для зміщення атома у ґратці, краудионний механізм переносу енергії до поверхні кристалу є найбільш імовірним.

Висновки

1. Вперше встановлено, що в атомарних кріокристалах можливо створювати заморожену плазму з великою концентрацією локалізованих електронів ~10¹⁶ см^-3. Виявлено термостимульовану екзоелектронну емісію з кріокристалів Ne та Xe.

2. Вперше зареєстровано фотостимульовану екзоелектронну емісію (зовнішній фотоефект) з попередньо опромінених зарядовими частками кріокристалів Xe та Ne.

3. Виявлено новий механізм релаксації у системі локалізованих заряджених часток, в основі якого лежить рекомбінація домішкових атомів з випромінюванням фотонів видимого діапазону (hн~1 еV). Встановлено, що це світло переводить електрони до зони провідності (внутрішній фотоефект) та стимулює електрон-діркову рекомбінацію з випромінюванням світла у ВУФ діапазоні (hн~10 еV) (перетворення світа з підвищенням частоти).

4. Виявлено ефект аномально сильної низькотемпературної "пост-десорбції" атомів та запропоновано двустадійний механізм цього явища при нагріві зразків: (i) звільнення електронів з пасток, (ii) електрон-діркова рекомбінація з появою атомів з кінетичною енергією, достатньою для їх десорбції.

5. Визначено положення енергетичних рівней електронно-стимульованих точкових структурних дефектів у твердому Ne (~20 meV) і твердому Xe (~40 meV). Для твердого Ne встановлена атомна конфігурація електронно-стимульованих пар Френкеля.

Cписок опублікованих праць за темою дисертації

1. Khyzhniy I.V. Activation spectroscopy of solid Ne / I.V. Khyzhniy, O.N. Grigorashchenko, A.N. Ogurtsov, E.V. Savchenko, M. Frankowski, A.M. Smith-Gicklhorn, V.E. Bondybey // Proceedings of XVI International Conference on Spectroscopy of Molecules and Crystals, SPIE - 2004. - Vol. 5507, - P. 235-241.

2. Grigorashchenko O.N. Activation spectroscopy of electronically induced defects in solid Ne/ O.N. Grigorashchenko, V.V. Rudenkov, I.V. Khyzhniy, E.V. Savchenko, M. Frankowski, A.M. Smith-Gicklhorn, M.K. Beyer, V.E. Bondybey // Low Temperature Physics. - 2003. - Vol. 29, № 9/10, - P. 1147-1151.

3. Savchenko E.V. Anomalous low temperature desorption from preirradiated rare gas solids / E.V. Savchenko, G.B. Gumenchuk, E.M. Yurtaeva, A.G. Belov, I.V. Khyzhniy, M. Frankowski, M.K. Beyer, A.M. Smith-Gicklhorn, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // J. of Luminescence. - 2005. - Vol.112, - P. 101-104.

4. Savchenko E.V. Creation of permanent lattice defects via exciton self-trapping into molecular states in Xe matrix/ E.V. Savchenko, A.N. Ogurtsov, I.V. Khyzhniy, G. Stryganyuk, G. Zimmerer // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2005. - Vol.7, - P. 785-790.

5. Khyzhniy I.V. Electron traps in solid Xe/ I.V. Khyzhniy, S. A. Uyutnov, E.V. Savchenko, G.B. Gumenchuk, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // Fiz. Nizk. Temp. - 2009. - Vol.35, №4. - P. 433-437.

6. Savchenko E.V. Relaxation channels and transfer of energy stored by pre-irradiated rare gas solids/ E.V. Savchenko, I.V. Khyzhniy, G.B. Gumenchuk, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // Fiz. Nizk. Temp. - 2009. - Vol.35, №5. - P. 520-523.

7. Khyzhniy I.V. Thermally stimulated exoelectron emission from solid Xe/ I.V. Khyzhniy, O. N. Grigorashchenko, A.N. Ponomaryov, E.V. Savchenko, V.E. Bondybey // Fiz. Nizk. Temp. - 2007. - Vol.33, №6/7. - P. 701-704.

8. Khyzhniy I.V. Activation spectroscopy of solid Ne / I.V. Khyzhniy, O.N. Grigorashchenko, A.N. Ogurtsov, E.V. Savchenko, M. Frankowski, A.M. Smith-Gicklhorn, V.E. Bondybey // Book of abstracts of XVI Intrenational School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals" - Sebastopol (Ukraine). - 2003. - C.56.

9. Khyzhniy I.V. Thermoluminescence of solid Ne / I.V. Khyzhniy, O.N. Grigorashchenko, A.N. Ogurtsov, E.V. Savchenko, M. Frankowski, A.M. Smith-Gicklhorn, V.E. Bondybey // Book of abstracts of "The 15-th International Conference on Defects in Insulating Materials" - Riga (Latvia). - 2004. - C.73.

10. Khyzhniy I.V. Electron trap-related low temperature relaxation in pre-irradiated Ne matrix / I.V. Khyzhniy, E.V. Savchenko, A.G. Belov, M. Frankowski, V.E. Bondybey, A.M. Smith-Gicklhorn // Book of abstracts of "The 5-th International Conference on Low Temperature Chemistry" - Berlin (Germany). - 2004. - C.83

11. Khyzhniy I.V. Electronic relaxation processes in Ne cryocrystals / I.V. Khyzhniy, O.N. Grigorashchenko, A.N. Ogurtsov, E.V. Savchenko, M. Frankowski, A.M. Smith-Gicklhorn, V.E. Bondybey // Book of abstracts of "International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals " - Wroclaw (Poland). - 2004.

12. Хижний І.В. Електронно-стимульовані дефекти у твердому Ne / І.В. Хижний, О.М. Огурцов, O.М. Григоращенко, О.В. Савченко, A.M. Smith-Gicklhorn, M. Frankowski, V.E. Bondybey // Тези міжнародної конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики "Еврика-2004" - Львів (Україна) - 2004. - С. 78

13. Хижный И.В. Электронные ловушки в твердом Ne / И.В. Хижный, Е.В. Савченко, А.Г. Белов, Е.М. Юртаева, O.Н. Григоращенко, M. Frankowski, V.E. Bondybey // Тези доповідей конференції молодих вчених "Фізика низьких температур" - Харків (Україна). - 2005. - C. 23

14. Savchenko E.V. Photo- and thermally stimulated relaxation processes in preirradiated atomic solids / E.V. Savchenko, I.V. Khyzhniy, G.B. Gumenchuk, A.N. Ponomaryov, M.K. Beyer, V.E. Bondybey, M. Frankowski // Book of abstracts of " International Conference on the Elementary Processes in Atomic Systems " - Miskolc (Hungary). - 2005.

15. Khyzhniy I.V. Spectroscopy of electron traps in solid Ne / I.V. Khyzhniy, E.V. Savchenko, A.G. Belov, E.M. Yurtaeva, O.N. Grigorashchenko, M.K. Beyer, A.N. Ponomaryov, M. Frankowski, V.E. Bondybey // Book of abstracts of the XVII-th Intrenational School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals" - Beregove, Crimea (Ukraine). - 2005. - C.104.

16. Savchenko E.V. Relaxation channels and transfer of energy stored by pre-irradiated rare gas solids / E.V. Savchenko, I.V. Khyzhniy, G.B. Gumenchuk, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // Book of abstracts of the" European Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation " - Lviv (Ukraine). - 2006. - C.124.

17. Khyzhniy I.V. Thermally stimulated exoelectron emission from solid Xe / I.V. Khyzhniy, G.B. Gumenchuk, O.N. Grigorashchenko, A.N. Ponomaryov, E.V. Savchenko, V.E. Bondybey // Book of abstracts of "International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals " - Kharkov (Ukraine). - 2006.

18. Ponomaryov A.N. Real-time monitoring of desorption and related processes in pre-irradiated RGS / A.N. Ponomaryov, E.V. Savchenko, G.B. Gumenchuk, I.V. Khyzhniy, V.E. Bondybey // Book of abstracts of " International Conference on Desorption induced by electronic transitions" - Berlin (Germany). - 2007.

19. Khyzhniy I.V. Electron traps in solid Xe / I.V. Khyzhniy, S.A. Uyutnov, E.V. Savchenko, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // Book of abstracts of "International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals " - Wroclaw (Poland). - 2008. - C.70.

20. Хижный И.В. Термостимулированные процессы в твердом ксеноне. / И.В. Хижный, С.А. Уютнов, Е.В. Савченко, А.Н. Пономарёв, В. E. Бондибей // Тези конференції молодих вчених "Фізика низьких температур"- Харків (Україна). - 2009. - C.143.

21. Savchenko E.V. Relaxation processes in wide-gap cryogenic materials / E.V. Savchenko, I.V. Khyzhniy, S.A. Uyutnov, G.B. Gumenchuk, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // Book of abstracts of the" 7-th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation " - Krakow (Poland). - 2009. - C.122.

22. Khyzhniy I.V. Energy storage and transfer in rare gas solids / I.V. Khyzhniy, S.A. Uyutnov, E.V. Savchenko, A.N. Ponomaryov, G.B Gumenchuk., V.E. Bondybey // Book of abstracts of "International Conference on Physics of Optical Materialsand Devices" - Herceg Novi (Montenegro). - 2009. - C.33.

23. Savchenko E.V. Post-irradiation phenomena in atomic and molecular ices / E.V. Savchenko, I.V. Khyzhniy, S.A. Uyutnov, A.N. Ponomaryov, G.B. Gumenchuk, V.E. Bondybey // Book of abstracts of the" 24-th International Conference on Atomic Collisions in Solids " - Krakow (Poland). - 2010.

Cписок цитованої в авторефераті літератури

1. Manzhelii V.G. Physics of Cryocrystals / V.G. Manzhelii, Yu.A. Freiman - New

York: AIP Press, 1997. - 691 p.

2. Karasevskii A.I. Equations of state and thermodynamic properties of rare-gas solids under pressure calculated using a self-consistent statistical method / A.I. Karasevski, W.B. Holzapfel // Phys. Rev. B. - 2003. - Т. 67, - С. 224301- 224310

3. Song K.S. Self-trapped Excitons / K.S. Song, R.T. Williams - Berlin : Springer Verlag, 1996. - 404 p.

4. Vij D.R. Luminescence of Solids. - New York: Plenum Press, 1998. - 427 p.

5. Fu C. Lattice defect creation induced by exciton self-trapping in solid Ne / C. Fu, K.S. Song // J. Phys.: Condens Matter - 1997. - Т. 9, C. 9785-9797.

6. Нацик В.Д. Краудионы в атомарных криокристаллах и металлах с ГЦК и ОЦК решетками / В.Д. Нацик, С.Н. Смирнов, Е.И. Назаренко // ФНТ. - 2001. - Т.27, - С. 1295-1307.

Размещено на Allbest.ru

...