Актуальность темы
Кристаллы боратов лития LIB3O5 (LBO), Li2B407 (LTB) и 1ЛбОс1(ВОз)з (LGBO) представляют значительный интерес как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения. Сочетание сильных ковалент-ных связей внутри борокислородных анионных групп кристалла и сравнительно слабосвязанной подрешетки катионов лития обусловливают определенную специфику электронной структуры кристаллов, процессов дефектооб-разования и релаксации электронных возбуждений. Кристаллы боратов лития прозрачны в широкой области спектра и обладают высокой радиационно-оптической устойчивостью. Основные области их применения: силовая коротковолновая лазерная техника, нелинейная и интегральная оптика (LBO и LTB), люминесцентная твердотельная дозиметрия ионизирующих излучений (LTB), сцинтилляционная техника (LGBO). Данные кристаллы перспективны также для использования в качестве оптического материала для регистрации тепловых нейтронов сцинтилляционным методом. Значительное количество атомов бора на элементарную ячейку, большие сечения захвата тепловых нейтронов изотопом 10 В, большое количество выделенной энергии на поглощенный нейтрон (суммарная энергия около 2.8 МэВ) позволяют использовать реi л п акцию В{п, a) Li. Кроме того, наличие атомов Li делает возможной регистг п рацию по реакции Li (п, ос) Н, которая имеет преимущества при регистрации низкоэнергетических нейтронов. Помимо этого, в состав LGBO входят изотопы 155'157Gd, ядра которых имеют большие сечения захвата медленных нейтронов с энергией ниже нескольких кэВ.
К настоящему времени для кристаллов LBO, LTB и LGBO получены первичные данные по люминесценции, дефектам, радиационно-стимулиро-ванным процессам и сцинтилляционным свойствам. Однако многие вопросы, касающиеся термостимулированных рекомбинационных процессов, дефекто-образования, особенно, в подрешетке слабосвязанных подвижных катионов лития, остаются до сих пор неизученными.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы явилось проведение систематических исследований термостимулированных электронно-дырочных рекомбинационных процессов в кристаллах боратов лития ЬВО, ЬТВ и ЬОВО.
Для достижения цели работы потребовалось решить следующие задачи:
1. Развитие материальной базы лаборатории физики твердого тела, включая: разработку контрольно-управляющей микропроцессорной аппаратуры для проведения экспериментальных исследований в неизотермических условиях в области температур 90−500 Кразработку программного модуля для моделирования термостимулированных рекомбинацйонных процессов в широкозонных диэлектриках.
2. Исследование процессов формирования и распада короткоживущих дефектов катионной подрешетки лития в кристаллах боратов лития с использованием метода импульсной абсорбционной оптической и люминесцентной спектроскопии с наносекундным временным разрешением.
3. Исследование в едином цикле термостимулированных рекомбинационных процессов и люминесценции в широкой области температур 90−500 К для нелегированных кристаллов боратов лития.
4. Экспериментальное исследование влияния точечных дефектов, обусловленных примесями замещения, на термостимулированные рекомбинаци-онные процессы и люминесценцию кристаллов боратов лития.
Научная новизна:
1. Впервые в едином цикле выполнено исследование процессов создания и эволюции короткоживущих радиационно-индуцированных дефектов катионной подрешетки в кристаллах боратов лития ЬВО, ЬТВ и ЬОВО с использованием методов люминесцентной и оптической спектроскопии с временным разрешением при возбуждении электронным пучком, наносекундной длительности.
2. Впервые проведено изучение термостимулированных рекомбинационных процессов с участием мелких центров захвата в кристаллах боратов лития, выполненное в едином цикле с применением экспериментальных методов низкотемпературной (80−500 К) рентгено- (PJI) и термостимулированной люминесценции (TCJI) в сочетании с методами математического моделирования актуальных процессов. Для кристаллов LGBO впервые обнаружены новые низкотемпературные пики TCJI при 180 и 240 К, обусловленные введением в решетку LGBO примеси магния.
3. Впервые выявлено, что ТСЛ легированных кристаллов боратов лития в области температур 90−300 К обусловлена, главным образом, протеканием термостимулированных процессов дырочной рекомбинации в результате термической активации в этой области температур различных дырочных центров захвата на основе катионных вакансий литиевой подрешетки. Показано, что это определяет не только сходство наблюдаемой картины ТСЛ в легированных кристаллах с таковой для нелегированных кристаллов, но и определенное сходство ТСЛ в этой области температур между различными легированными кристаллами боратов лития LBO, LTB и LGBO.
4. Впервые для кристаллов LGBO обнаружено температурное «разгора-ние» интенсивности стационарной рентгенолюминесценции (РЛ) в полосе из-лучательных переходов иона Gd3+ при нагреве от 90 до 500 К. Такая температурная зависимость связана с особенностями миграции энергии электронных возбуждений по цепочкам — Gd — Gd.
5. Впервые изучено воздействие на кристаллы боратов лития различных видов фотонного и корпускулярного излучений: электронный пучок (?=0.25 МэВ), пучок ионов Не4″ (Е= 3 МэВ), рентгеновское излучение (?/=40 кВ). Установлено, что при воздействии пучка ионов гелия происходит формирование структурных дефектов решетки, проявляющихся в ТСЛ в области температур 400−700 К.
Научная и практическая значимость работы.
Разработан и реализован микропроцессорный контрольно-измерительный комплекс, который позволяет проводить прецизионные спектральные измерения нестационарных свечений твердых тел в неизотермических условиях: кривых термостимулированной люминесценции, спектров рентгенолюминес-ценции различных температурах и т. п. Комплекс находит применение не только для научных исследований, но и в учебном процессе — в лабораторном практикуме по физике твердого тела.
Разработан и реализован программный модуль ТАК-1 (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 009 613 045), который позволяет моделировать кинетику термоактивационных рекомбинационных процессов, включая температурные зависимости изменения концентраций локализованных носителей заряда, а также интенсивностей излучательных и бе-зызлучательных рекомбинационных процессов при различных температурах и условиях возбуждения.
Полученные результаты по короткоживущему оптическому поглощению (КОП), ТСЛ и РЛ создают научные предпосылки для разработки новых детекторов корпускулярного излучения для работы в области температур от 90 до 700 К и методов неразрушающего контроля кристаллов боратов лития.
Положения, выносимые на защиту:
1. Во всех исследуемых кристаллах боратов лития ЬВО, ЬТВ, ЬСВО ко-роткоживущее оптическое поглощение в области от 1.2 до 5.0 эВ обусловлено одним и тем же механизмом, а именно электронными переходами с состояний валентной зоны на локальный уровень дырочного О" -центра. о о.
2. Кинетика затухания КОП на временах затухания от 10″ до 10″ с контролируется туннельным переносом электрона между собственными дефектами решетки: электронным 1л° и дырочным О- -центрами. Туннельный перенос электрона для кристаллов ЬВО и ЬТВ происходит безызлучательно, а для активированных кристаллов ЬвВО-Се получены экспериментальные свидетельства о передаче примесному центру свечения Се3+ части энергии, выделяю9 шейся при туннельной электронно-дырочной рекомбинации.
3. Низкотемпературный пик ТСЛ, проявляющийся в кристаллах боратов лития в области температур 100−130 К, является неэлементарным пиком TCJI, который обусловлен делокализацией дырок в системе двух конкурирующих центров захвата. Различия в соотношении параметров данных дырочных центров обеспечивают наблюдаемое «разгорание» в кинетике затухания люминесценции LBO и отсутствие подобного «разгорания» в кинетике затухания люминесценции других кристаллов боратов лития.
4. Легирование кристаллов боратов лития примесями замещения приводит к созданию примесных дефектов стабильных в области температур до 600−700 К. В термостимулированных рекомбинационных процессах области температур 90−300 К эти дефекты выступают только в качестве центров рекомбинации или глубоких центров захвата. Их наличие влияет на кинетику термостимулированных рекомбинационных процессов, обусловливает сдвиги температурного положения пиков ТСЛ и перераспределение интенсивности между ними по сравнению с нелегированными кристаллами.
Личный вклад автора. Постановка задач и определение направлений исследования были проведены совместно с научным руководителем. Эксперименты по исследованию термостимулированных рекомбинационных процессов в кристаллах боратов лития выполнены лично на модернизированной автором установке в лаборатории физики твердого тела при методической поддержке научного консультанта профессора ПустовароваВ.А. Эксперименты с использованием методов импульсной абсорбционной и люминесцентной спектроскопии выполнены в Томском политехническом университете совместно с доцентом Смирновым A.A. при методической поддержке профессора Яковлева В. Ю. Обработка, анализ и интерпретация экспериментальных данных, подготовка научных публикаций, формулировка выводов и защищаемых положений по диссертации принадлежат автору.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 7-й Международной.
10 конференции по люминесцентным детекторам и преобразователям ионизирующих излучений ЬиМОЕТК-2СЮ9 (Краков, Польша, 2009) — 14-й Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов КРС-14 (Астана, Казахстан, 2009) — Международной конференции «Инженерия сцинтилляционных материалов и радиационные технологии» ИСМАРТ-2008 (Харьков, Украина, 2008) — Международной конференции по твердотельным детекторам ТТД-2008 (Екатеринбург, 2008) — 9-й молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2008) — 2-й молодежной школе-семинаре молодых ученых «Рост кристаллов» (Харьков, Украина, 2008) — 10-й Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой оптои наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2008).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 19 научных работах, в том числе — в 3 статьях в ведущих российских рецензируемых научных журналах из списка ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературыизложена на 1531 страницах машинописного текста и содержит 9 таблиц, 62 рисунка и библиографический список из 136 наименований.
5.4. Выводы по главе 5.136.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
139.
