Реферати українською » Физика » Радіаційні процеси в іонних кристалах


Реферат Радіаційні процеси в іонних кристалах

Страница 1 из 3 | Следующая страница

РАДИАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ У ИОННЫХ KPИСТАЛЛАХ

§2.1. Оптическое порушення іонних кристалів 11.14-16]

Під оптичним випромінюванням розуміється електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль, розташованими буде в діапазоні від 0,01 нм (эВ)до 10мм (эВ) [18]. Зазначений діапазон електромагнітних хвиль охоплює переважно інфрачервоне, види моє, ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання. Хоча ці види випромінювань дуже принципово різняться між собою як, природі випромінювачів і знаходять способи реєстрації, тим щонайменше всім їхнім спільним і те, що з них сучасна техніка поз воляет формувати досить спрямовані потоки хвиль і, сле довательно, з допомогу» їх ще отримувати «зображення» перед метов. Нижче йтиметься про порушення кристалів переважно оптичним випромінюванням.

При опроміненні кристалів квантами електромагнітного излуче ния і частинками (наприклад, електронами) широтою діапазону енергій можна здійснити порушення електронної і НДІ ядерної підсистем кристала [14-16). У ідеальному іонному кристалі у сфері енергій квантів 10 - 10» эВ спостерігається поглинання з лучения, що супроводжується порушенням коливань кристалличес дідька лисого грати (створенням фотонів); у сфері енергії эВ спостерігається поглинання, відповідне порушення електронної підсистеми кристала (створенню електронних порушень ); в про ласти ще більших значень енергії можуть здійснюватися возбуж дения ядер.

У реальному кристалі зі своїми і примесными дефектами спостерігаються відносно слабкі смуги поглинання в фотонної області й області електронних порушень, зумовлені наявністю цих дефектів.

Щелочно-галоидные сполуки мають широкими зонами заборонених значень енергії (наприклад, для ,NaCl= 8,6 эВ). Завдяки цьому чисті ЩГК оптично прозорі у широкому спектральному диапа зоні, що включає всю видиму і близьку інфрачервону область, і навіть значну частину ультрафіолетової (СФ) області спектра. Ці кристали поглинають випромінювання з довжинами хвиль переважно до роче 210 нм ( > 5,9 эВ). Показник поглинання в максимумах смуг сягає значень . Настільки великі значення показника поглинання свідчать, що це поглинання пов'язано ні з дефектами кристала, і з порушенням соб ственных іонів, входять до складу кристала.

Спектральное становище найбільш інтенсивного максимуму (рис.2.1) залежить від природи аниона. З іншого боку, при опроміненні кристала випромінюванням в галузі цієї смуги поглинання кристал мало набуває властивість фотопроводимости (див.: [17] , с.7). З цих фактів зроблено висновок, що интен сивный максимум в спектрі поглинання обумовлений створенням бестоковых рухливих електронних порушень - низькоенергетичних анионных экситонов (е°). Аннонный экситон в останній момент народження його можна уявити як порушена стан аниона ()* (§2.2).

Характерна сходинка в спектрі поглинання, наступна за максимумом е°, обумовлена початком оптичних переходів элект ронов з валентною зони до зони провідності, що призводять до созда нию электронно-дырочных пар ( - порушень). У цьому відбувається іонізація аніонів (X») і електронів до катио нам (), кристал стає токопроводящим.

При енергії квантів, перевищують ширину забороненої зони ( ), в спектрі оптичного поглинання спостерігається боль-вое число різких і розмитих максимумів, налагающихся на щодо плавно змінюється «фон». Різкі максимуми обумовлені високоенергетичними анионными экситонами, а фон відбиває структуру валентною зони і зони провідності й відповідає народженню электронно-дырочных пар.

У іонних кристалах є і катионные экситоны. Енергія порушення вільних іонів лужних металів мають у своєму эВ такі значення: ;; (см.:[16] c.29, с.29). У цих галузях спектра виявлено вузькі, добре виражені максимуми, характерні кожного з катионів і найгірш залежать від аніонів.

Поглиненна оптичного випромінювання, що з утворенням кристалі экситонов і электронно-дырочных пар, називається соб ственным чи фундаментальним поглинанням.

За наявності кристалі домішкових дефектів (в люминесцирующие кристали активирующая домішка зазвичай вводиться преднамерен але, § 3.2) забороненої зоні енергії виникають локальні рівні E1, і E2, (рис. 1.8), відповідні основному і порушена станам примесного центру. Локальным електронним возбуждениям відповідають смуги поглинанняl (рис. 2.1).

При порушенні іонних кристалів квантами электромагнитно го випромінювання великий енергії (рентгенівське, -випромінювання) у яких протікають складні процеси, які схематично може бути описані так [14,16]. Через війну первинного акта взаємодії іонізуючої радіації з кристалом у ньому за вре мя порядку ~з виникають електрони великий енергії ( ); створюють в кристалі каскади вторинних електронів (рис. 2.2). Через війну невідомих поки процесів під час з. ці електрони створюють нестабільні порушення кристалічною грати, звані резонансами (r), що протягом з. розпадаються на стабільні елементарні порушення (P.S )

При порушенні кристала повільними електронами і фотонами з енергією порядку ширини забороненої зони відразу створюютьсяt -порушення чи P.S -возбувдения (залежно від енергії возбуж дають частинок).

У ЩГК є два виду P.S -порушень : электронно-дырочные

дари і низькоенергетичні анионные экситоны. Роль цих элемен тарних електронних порушенні в радіаційних і люмінесцентних процесах надзвичайно велика. Саме вони сьогодні визначають процеси зміни хімічного стану іонів домішки і іонів, утворю щих грати кристала, процеси накопичення та розпаду різних радіаційних дефектів (§§ 2.3; 2.4). Мигрируя по кристалічній решітці, P.S -порушення передають своп енергію (порядку ширини забороненої зоны)центрам світіння, створюючи локалізовані віз бужденные стану, які руйнуються з испусканием квантів люмінесценції чи безызлучательно (з испусканием фононов) (§ 3.5; 3,6).

Електронні порушення - одне із видів порушень (дефектів) ідеальної кристалічною грати. У насправді, в ідеальному іонному кристалі частково заповнені енергетичні зони від сутствуют. Отже, що з'явився вільний електрон в зо не провідності одна із дефектів. Аналогічно само і при появі незайнятого електроном квантового зі стояння (дірки) в валентної зоні.

§2.2. Нерелаксированные і релаксированные електронні порушення в щелочно-галоидчых кристалах (10,12,17,19-31]

Як зазначено в §2.1, основними електронними возбуждениями в Щга є стабільні порушення типу электронно-дырочных пар і низькоенергетичних анионных экситонов. Розглянемо їх віз можные гніву й властивості.

При поглинанні кристалом кванта світла достатньої енергії () відбувається перехід електрона з валентною зони до зони провідності, виникає нерелаксированное електронне возбуж дение - зонний електрон, властивості якого визначаються остаточному підсумку структурою .зони провідності. Протягом часуз. електрон, сильно взаємодіючи з коливаннями грати (з фонона-ми), релаксирует, тобто. перетворюється на рівноважний стан. Движу щийся електрон викликає поляризацію свого непосредствонного прибл ружения, тобто. відносне усунення позитивних і отрицатель ных іонів грати. Електрон, рухаючись у решітці, захоплює у себе стан поляризації оточення. Електрон провідності в іонному кристалі часто називають поляроном. Хоча поляронный еф фект для електронів має місце, тим щонайменше вони мігрують настільки швидко, що викликане ними інерційна поляризація прибл ружающей кристалічною грати не встигає розвинутися такою мірою, щоб дуже уповільнити рух електронів. Электроны залишаються рухливими до; температури рідкого гелію. Локалізація електронів в регулярних вузлах кристалічною грати (самозахоплення, автолокализация) не виявлено. Як нерелаксирован ное і релаксированное (поляронное) стану електрона яв ляются станами зонного типу. Не означає, звісно, що властивості "гарячих" електронів, мають енергію на кілька элокт-ронвольт, що неспроможні відрізнятиметься від властивостей теплових електронів. Запальний електрон в ЩГК може мати дуже цікаві властивості, учитываемые, зокрема, в теоріях електричного пробою ЦГК, а останнім часом й у люмінесцентних явищах (див.: ра], с.7). Оскільки розбіжності у властивості релаксированного і нерелаксирован-ного станів електрона виражені слабко, вони вивчені поки зна чительно 'гірше, ніж відповідні відмінності для дірок і экситонов ([20],c.37).

При опроміненні ЩГК світлом в галузі переходів зона-зона про виходить іонізація іона галоида (). У початковий той час у валент іншої зоні утворюється дірка, що має запасом кінетичній энер гии щодо стелі зони ("гаряча" дірка). Переміщуючись по кристалу, дірка віддає надлишок енергії кристалу (релаксирует) і "спливає" до стелі валентною зони. Атом галоида (Х°) неус тойчив і під час релаксації утворює з сусіднім іоном мо лекулярный іон . Освіта виду за досить низьких температурах стабільно і орієнтоване у бік< 110> р гранецентрированных кристалах. Відстань між ядрі т галои дов, входять до складу - центру, званого зазвичай Vk- цент ром, зменшується на 30-40%, але вони як і займають два анионных вузла (рис. 2.3). У разі має місце локалізація образующейся при опроміненні зонної дірки двома іонах галоида, тобто. автолокализация дірки. Одночасна локалізація електро». нон ча дефектах кристалічною грати прэдотвращаат їх рекомбінацію з автолокализоовными дірками і уможливлює дли-дельное існування Vk - центрів.

Новоутворена при опроміненні дірка проходить до релак сации (автолокализации) деяке відстань. Якщо така не підлогу ностью релансированная дірка зустрічає по дорозі іон активую щей домішки , вона може захватиться їм й утворити - центр. Пробіг дірка до релаксації то, можливо значитель ным ( ~100 а, де а - стала грати).

Енергія зв'язку вільного молекулярного іона Xg визначає основному енергетичну структуру Vk-центра.

Електронна структура основного і порушеної перебуваючи нийVk - центру аналогічна він у у вільному молекулярному іоні . На личие оточуючої грати вносить лише невеликі зміни у цей дивний організм. Для Vk -центрів характерно наявність порівняно інтенсивних смуг поглинання в ультрафіолетової і інфрачервоної областях спектра.

Спектри оптичного поглинання Vk - центру сильно залежить від природи ані він і слабко - від катиона. Це ще разподтверждает, що автоло-калиаованная дірка є молекулярний іон лише трохи спотворений гратами. Слід сказати, що Vk - центри можуть утворюватися і регулярних вузлах грати, на околиці немає ніяких структурних дефектів.

Цікаве вплив температури на вероят ность автолокализации дірок. Якщо релаксированное і нерелакси-рованное стан квазичрстицы розділені потенційним барье ром, можна очікувати зменшення швидкості релаксація з нижче нием температури. До нашого часу немає експериментальних даних, які можна було б трактувати як вияв актива-ционного бар'єра для автолокализации дірок. Навпаки, виявлено зменшення ймовірності автолокализации дірок при високих температур. Що стосується кристалів, містять активирующую при месь, спостережуваний факт може бути пояснюють збільшенням ймовірності захоплення нерелаксированной дірки активатором () у сфері високих температур. Можливо, це пов'язано з наявністю у активаторного центру потенційного бар'єра, який перешкоджає захоплення теплової дірки при низьких температурах.

При досить низьких температурахVk - центри, створені при опроміненні кристала, стабільні, тобто. і кількість, і ориен тация їх залишаються незмінними протягом багато часу. Проте за підвищенні температури спостерігаються термічно активи рованные процеси реориентации і рухVk -центрів, що призводять до зменшення концентрації останніх. Термическую стабільністьVk- центрів характеризують з допомогою про темпі ратуры реориентации Тr, і делокализации (руйнації) Тd . Ці температури визначаються як температури, у яких швидкості зміни орієнтації й концентраціїVk -центрів максимальні. Що стосується - центрів значення Тr і Тd близькі між собою. Наприклад, дляNaCl Tr= 133 До, Td = 150 До; дляKCt Тr, = 173 До, Тd = 210 До; для КВr Тr, = 143 До , Тd = 160 До ([20], с.60). Це явля ется відбитком той факт, що обидві процесу визначаються одним механізмом.

При Т< Тd, релаксированные (автолокализованные) дырки практи­чески неподвижны. При Т>Тr , має місце прыжковая переорієнтування і рух Vk-центров. У гранецентрированных ЩГК ця прыжковая дифузія відбувається звичайно з зміною орієнтації осі на 60° чи 90°. Термически стимулированная реориентация Vk - цент рів в кристалах з гратами типу NaCl може бути двома путя ми.

1. Поворот валентною зв'язку навколо однієї з ядер, входять до складу , у якому одна з ядер залишається загальним для результат іншої і кінцевої орієнтаційVk -центру.

2. Термічна дисоціація і міграція які утворилися у своїй станів Х° до повторної автолокализации. У разі відбувається, природно, заміна обох ядер іона .

У кристалах з гратами типуNaCl перший варіант реориен-тации більше ймовірний. Реориентационные стрибки Vk -центрів - ос новной механізм термічно активованого руху дірок в ЩГК. Серія термічно активованих реориентационных стрибків Vk - центру може спричинить переміщенню дірки на макроскопи ческие відстані.

За більш високих температур можна включати інші ме ханизмы руху, пов'язані розриву зв'язку в молекулярному йоні й утворенням рухомого стану Х°.

Отже, для дірки характерна два стану: нерелаксированное (зонное) і релаксированное (автолокализованное). При переході дірки з нерелаксированного в релаксированное (автолокализованное) стан якісно змінюються її властивості. Автолокализованная дірка за досить низьких температурах совер шенно нерухома тому, що за свого життя вона встигає зробити жодного перескока на сусідній вузол грати.

Фундаментальна ідея про можливість автолокализации електронних порушенні в ідеальної решітці була вперше висловлена в 1933 р. Л.Д. Ландау [24]. Експериментально ідея про автолокализаци електронних вовбуждекий вперше підтверджено для дірок в ЩГК [25-26].

Уявлення про экситоне як "про бестоковом електронному порушенні було запроваджено Я.И.Френкелем в 1931 р. [27]. Вона дозволила зрозуміти, чому поглинання світла діелектриках і напівпровідниках при частотах, відповідних електронному порушення кристала, який завжди супроводжується появою носіїв струму (фотопроводимостью). Запровадження поняття экситона стимулювало пошук експериментальних проявів існування.

Електронний порушення, зване экситоном, расматривается як квазичастица, яка може переміщатися по кpисталлу і переносити у своїй енергію, але з переносити електричний заряд. Экситон характеризується квазиимпульсом, має спін і підпорядковується статистиці Бозе-Ейнштейна.

Для описи экситона найширше користуються двома мо делями, відповідними двом різним наближенням (див., приміром, [28]).

Відповідно до першої моделі (экситон Френкеля), экситон рассмат ривается як переходить від молекули до молекули отже перемещающееся по кристалу порушена стан молекули. У цьому моделі електрон і дірка сильно пов'язані один з одним і рас покладено однією й тому самому вузлі кристалічною решетии (экситон малого радіуса). Прикладами систем, у яких можуть реализо ваться френкелевские экситоны, є молекулярні кристали. У цих кристалах зв'язок всередині молекули значно сильніші за, ніж зв'язок молекул між собою.

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація