Модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий
Исследованы спектры отражения, поглощения, термостимулированной люминесценции (ТСЛ) ZnS, ZnO до и после облучения пучком ионов гелия низких энергий. Показано, что к анализу вносимых изменений можно подходить с единых теоретических позиций при рассмотрении соединения типа MeX....
Gespeichert in:
| Datum: | 2003 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2003
|
| Schriftenreihe: | Физика и техника высоких давлений |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167981 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий / Я.М. Кривошеев, А.Г. Петренко, А.И. Бажин // Физика и техника высоких давлений. — 2003. — Т. 13, № 2. — С. 39-45. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-167981 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1679812020-04-19T01:25:51Z Модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий Кривошеев, Я.М. Петренко, А.Г. Бажин, А.И. Исследованы спектры отражения, поглощения, термостимулированной люминесценции (ТСЛ) ZnS, ZnO до и после облучения пучком ионов гелия низких энергий. Показано, что к анализу вносимых изменений можно подходить с единых теоретических позиций при рассмотрении соединения типа MeX. The spectra of reflection, occluding, thermally stimulated luminescence (TSL) of ZnS, ZnO before and after the irradiation by beam of helium ions of low energies are investigated. Is shown, that it is possible to approach the analysis of happening changes from unified idealized standpoints when considering such compounds as MeX. 2003 Article Модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий / Я.М. Кривошеев, А.Г. Петренко, А.И. Бажин // Физика и техника высоких давлений. — 2003. — Т. 13, № 2. — С. 39-45. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 73.61.Ga, 81.40.-z http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167981 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Исследованы спектры отражения, поглощения, термостимулированной люминесценции (ТСЛ) ZnS, ZnO до и после облучения пучком ионов гелия низких энергий. Показано, что к анализу вносимых изменений можно подходить с единых теоретических позиций при рассмотрении соединения типа MeX. |
| format |
Article |
| author |
Кривошеев, Я.М. Петренко, А.Г. Бажин, А.И. |
| spellingShingle |
Кривошеев, Я.М. Петренко, А.Г. Бажин, А.И. Модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий Физика и техника высоких давлений |
| author_facet |
Кривошеев, Я.М. Петренко, А.Г. Бажин, А.И. |
| author_sort |
Кривошеев, Я.М. |
| title |
Модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий |
| title_short |
Модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий |
| title_full |
Модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий |
| title_fullStr |
Модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий |
| title_full_unstemmed |
Модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий |
| title_sort |
модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| publishDate |
2003 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167981 |
| citation_txt |
Модификация свойств перспективных люминофоров при воздействии пучка ионов низких энергий / Я.М. Кривошеев, А.Г. Петренко, А.И. Бажин // Физика и техника высоких давлений. — 2003. — Т. 13, № 2. — С. 39-45. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Физика и техника высоких давлений |
| work_keys_str_mv |
AT krivošeevâm modifikaciâsvojstvperspektivnyhlûminoforovprivozdejstviipučkaionovnizkihénergij AT petrenkoag modifikaciâsvojstvperspektivnyhlûminoforovprivozdejstviipučkaionovnizkihénergij AT bažinai modifikaciâsvojstvperspektivnyhlûminoforovprivozdejstviipučkaionovnizkihénergij |
| first_indexed |
2025-07-15T02:09:21Z |
| last_indexed |
2025-07-15T02:09:21Z |
| _version_ |
1837677015456546816 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 2
39
PACS: 73.61.Ga, 81.40.z
Я.М. Кривошеев, А.Г. Петренко, А.И. Бажин
МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЛЮМИНОФОРОВ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПУЧКА ИОНОВ НИЗКИХ ЭНЕРГИЙ
Донецкий национальный университет
83055, г. Донецк, ул. Университетская, 24
Статья поступила в редакцию 7 февраля 2003 года
Исследованы спектры отражения, поглощения, термостимулированной люминес-
ценции (ТСЛ) ZnS, ZnO до и после облучения пучком ионов гелия низких энергий. По-
казано, что к анализу вносимых изменений можно подходить с единых теоретиче-
ских позиций при рассмотрении соединения типа MeX.
Действие облучения на полупроводниковые материалы проявляется в из-
менении их электрофизических [1], оптических [2,3], механических [4] и дру-
гих свойств. Ответственны за эти изменения как первичные процессы обра-
зования простейших дефектов (вакансий и междоузельных атомов), так и
вторичные, отражающие характер накопления ассоциаций простейших де-
фектов с примесями и другими несовершенствами кристаллической решетки.
Следовательно, результат облучения определяется тем набором радиацион-
ных дефектов, которые вводятся в кристалл и устойчивы при данной темпе-
ратуре.
Интерпретация сложных явлений, протекающих при облучении, требует
прежде всего изучения механизма образования свободных (раздельных) ва-
кансий и междоузельных атомов, а также процессов, имеющих место при
возникающей перестройке энергетической структуры образца.
Облучение твердых тел ионами сопровождается электронным возбужде-
нием мишени и, как следствие, ионолюминесценцией, которая зависит от
многих факторов (состояния поверхности, фазового состава, стехиометрии и
наличия адсорбированных частиц) и вследствие этого несет информацию о
кристалле. В результате ионного облучения на поверхности и в объеме ис-
следуемого образца возникают колебательно-возбужденные состояния [5]
вблизи и выше порога диссоциации. Такие состояния могут возникать и на
поверхности в результате гетерогенных химических реакций. В данном слу-
чае основным каналом аккомодации энергии является фононный, электрон-
ный же будет играть существенную роль для образцов с системой мелких
электронных ловушек, а процесс облучения будет способствовать появлению
мелких акцепторных центров. Концентрация последних достигает предель-
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 2
40
ного значения при увеличении интегрального потока ионов. Изучение радиа-
ционных дефектов в бинарных соединениях осложняется по многим причи-
нам. Наиболее влиятельной из них является наличие широкого набора некон-
тролируемых примесей, энергетический спектр которых разнообразен и не-
достаточно изучен. Глубокие примесные уровни доступны при облучении
(из-за смещения уровня Ферми к середине запрещенной зоны) и могут быть
приняты за радиационные дефекты.
Цель данной работы – исследование процессов направленной трансфор-
мации оптических свойств перспективных люминофоров (ZnS и ZnO) пучком
ионов низких энергий, а также изучение возможностей применения метода
ионолюминесценции для преобразования энергетической структуры люми-
нофоров и управляемого изменения стехиометрического состава образца.
Методика исследований
Оптические свойства ZnO и ZnS исследовались на примере изучения ТСЛ,
сопоставления полученных данных с результатами по фотолюминесценции
(ФЛ), а также исследования спектров отражения и поглощения ZnO и ZnS до
и после облучения ионами Не+ с средней энергией 4 keV и плотностью тока
пучка j = 21 А/сm2. Образцы ZnO и ZnS представляли собой поликристал-
лические порошки, полученные в НИИ люминофоров и особо чистых ве-
ществ (Ставрополь, Россия). Также сравнивались спектры ТСЛ до и после
облучения ионами гелия, указанная средняя энергия которых позволяла вы-
бирать режим возбуждения, не вызывающий существенного искажения кри-
сталлической решетки. Спектры отражения исследовались на базе установки,
собранной на основе спектрофотометра СФ-4 с приставкой зеркального от-
ражения ПЗО-1. Измерения производились относительно ВеО (эталон), а со-
ответствующие спектры нормировались к спектральной чувствительности
установки. Исследование спектров поглощения проводилось на спектрофо-
тометре СФ-4.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
На рис. 1 представлен характер изменения коэффициента поглощения
для ZnS при воздействии облучения пучком ионов He низких энергий.
Анализируя зависимости 1 и 2, можно быстро установить, что внедрение
ионов He в решетку ZnS даже при небольших энергиях пучка приводит к
существенной перестройке энергетической структуры и изменению
стехиометрического состава образца. Это подтверждается характером
изменения ТСЛ после облучения для тех же образцов (рис. 2), а также
хорошим согласием с результатами наших более ранних исследований ФЛ
[6]. Аналогичные изменения наблюдались в спектре коэффициента для
ZnO для двух образцов с различной стехиометрией (рис. 3). Обсудим и
проанализируем полученные результаты.
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 2
41
Рис. 1. Спектры поглощения в зависимости от длины волны до (кривая 1) и после
(2) облучения ионами гелия
Рис. 2. Кривые ТСЛ двух образцов (кривые 1 и 2) ZnS с различной стехиометрией и
условиями приготовления, max = 525 nm; 2 – образец 2 облучен ионами гелия
Одной из первых работ, посвященных люминесценции сульфида цинка
после внедрения ионов, является [7]. Нами же производилось более мягкое
возбуждение с указанной выше энергией с целью предотвратить значитель-
ное искажение решетки и в то же время внести существенные изменения в
дефектную структуру образца и проследить динамику их влияния на стехио-
метрию и люминесцентные свойства ZnS и ZnO. Так, спектр поглощения для
образца ZnS, снятый до облучения, для соответствующей энергии дает значе-
ние 2.95 eV (m = 420 nm), которое при сопоставлении с результатами по ФЛ
дает основание предположить, что с этой энергией связан центр свечения.
Последний включает в себя вакансию цинка с излучением кванта света со-
гласно реакции
hVeV ZnZn . (1)
Анализ же пика ТСЛ с учетом формул,
полученных в [8] (при сопоставлении с
ФЛ), показывает, что преобладающим ти-
пом дефектов для образца ZnS являются
вакансии серы SV . Численный расчет
формы полосы ФЛ для ZnS максимальной
интенсивности подтверждает, что полоса
неэлементарна и имеет дуплетную струк-
туру, поэтому спектр ФЛ данного образца
исследуем согласно методике [9]. Предпо-
ложим, что элементарные полосы, состав-
ляющие сложный спектр ФЛ, имеют гаус-
сову форму. При проведенном разложении
методом Аленцева–Фока перейдем от
Рис. 3. Спектры зависимостей
коэффициента от длины волны
для двух образцов ZnO до (кри-
вые 1, 2) и после (1, 2) облуче-
ния ионами гелия
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 2
42
функции распределения интенсивностей люминесценции к вероятностной
функции распределения значений Emax, что позволяет за счет уменьшения
меры неопределенности (значения полуширины) вычислить некоторые (об-
щие для этих двух функций) параметры элементарных полос. Примем значе-
ние ширины запрещенной зоны для сульфида цинка Eg = 3.96 eV и результа-
ты проведенных расчетов представим в виде таблицы.
Таблица
Анализ спектра ФЛ для ZnS
Номер
полосы
I,
rel. units
Emax,
eV
,
nm
gE
Emax
2 ,
eV
1 0.08 3.10 400 0.78 0.61 0.20
2 0.10 2.90 428 0.78 0.53 0.20
3 0.22 2.70 460 0.68 0.46 0.34
4 1.00 2.36 525 0.60 0.36 0.23
5 0.22 2.07 600 0.52 0.27 0.09
6 0.24 1.98 625 0.50 0.25
При анализе результатов, представленных в таблице, была построена за-
висимость в координатах 2, (где ширина полосы излучения на полувы-
соте), из которой следует, что с достаточной степенью точности расчетные
точки ложатся на прямую линию, которая хорошо аппроксимируется уравне-
нием
12
. (2)
При этом величину определим из тангенса угла наклона прямой к оси :
= 0.32 eV. Элементарные соображения позволяют предположить, что физи-
ческий смысл величины состоит в двойном расстоянии между полосами
дуплета, структуру которого имеют наиболее интенсивные полосы в слож-
ном спектре ФЛ.
Проанализируем далее спектр поглощения для образца ZnS, подвергнуто-
го облучению. В результате получаем значение соответствующей энергии
Е = 2.7 eV ( = 458 nm), которое можно сопоставить с внутрицентровым пе-
реходом между вакансиями серы и цинка
ZnV . Облучение ионами ZnS при-
вело к тому, что максимум полосы ТСЛ (рис. 2, кривая 2) сместился в об-
ласть более низких температур при той же длине волны max = 525 nm, давая
максимальный вклад в спектр ФЛ после облучения. Это обстоятельство го-
ворит нам о том, что внедрение ионов Hе в решетку ZnS привело к возраста-
нию доли внутрицентровых переходов между
SV и
ZnV . В предположении
пропорциональной деформации, производимой внедряющимися ионами,
можно сделать вывод об изменении расстояния между полосами дуплетов
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 2
43
соответствующих полос сложного спектра ФЛ облученного ZnS в сторону
увеличения. Анализ характера произошедших изменений показывает наличие
радиационного улучшения люминесцентных свойств ZnS.
Проведенный анализ спектров поглощения, представленных на рис. 4, по-
зволяет прийти к заключению о наличии в ZnO аналогичной деформации,
вносимой ускоренными ионами. При этом мы получаем следующие значения
для соответствующей энергии: E = 3.44 eV (образцы ZnO до облучения), Е =
3.13 eV (образец 1 после облучения), Е = 2.78 eV (образец 2 после облуче-
ния). При сопоставлении этих результатов с данными по ФЛ приходим к та-
ким выводам:
1) возникновение полосы 385 nm (УФ) можно связать с ионизацией меж-
доузельного цинка (как это предполагается по литературным данным):
nm);385(eV22.322.044.3
;ZnZn
1
1
h
heii
(3)
2) возникновение второй полосы в УФ-области объясняется следующим
образом:
.eV06.022.328.3
nm);378(eV28.316.044.3
;
12
2
2OO
hh
h
heVV
(4)
Величина 0.06 eV согласуется с экспериментальными данными по исследо-
ванию кристалла ZnO при низких температурах (Т = 100–180 K). Природа
возникновения второго пика в УФ-области предлагается нами впервые. При
комнатных температурах эти полосы отсутствуют в результате ионизации
мелких доноров
O,Zn Vi .
Полоса h2 является внутрицентровой, а переход электрона с уровня
OV
на
OV будет описываться соответствующей энергией:
h2 = 2.16 – 0.16 = 2.0 eV ( = 620 nm). (5)
Полосу h1 мы связываем с переходом электрона с уровня ЕС на уровень
2
OV (520 nm).
Анализ значений для облученных образцов при учете теоретических рас-
четов [10] позволяет сделать вывод о накоплении междоузельного цинка и
Рис. 4. Спектр фотолюми-
несценции ZnO образца 1 до
облучения
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 2
44
увеличении доли внутрицентровых переходов по реакции (4) вследствие
уменьшения высоты потенциального барьера из-за удаления хемосорбиро-
ванного кислорода и радиолиза решетки.
Выводы
1. Экспериментальные исследования спектров отражения, поглощения,
ТСЛ до и после облучения пучком ионов низких энергий показали возмож-
ность использования мягкого режима возбуждения для направленной транс-
формации оптических свойств перспективных люминофоров, а также воз-
можность описания происходящих при этом процессов с единой теоретиче-
ской точки зрения.
2. Впервые дана новая трактовка полосы УФ-пика в спектре для ZnO, при-
рода которого является внутрицентровой.
3. Сравнительный анализ характера происходящих изменений в энергети-
ческих структурах ZnS и ZnO показывает подобный механизм влияния уско-
ренных ионов на решетку соединений. Это дает основание сделать вывод о
целесообразности исследования оптико-люминесцентных свойств и их изме-
нения под ионным пучком такого материала, как ZnS + ZnO.
1. М.М. Михайлов, Изв. вузов. Физика № 7, 94 (1984).
2. Е.М. Малиненко, Автореф. дисс. ... канд. физ.-мат. наук, ДонГУ, Донецк (1984).
3. В.С. Вавилов, А.А. Клюев, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, Р.Р. Резванов, Е.К. Сушке-
вич, ФТТ 39, 1526 (1997).
4. Н.Н. Лошкарева, Ю.П. Сухоруков, Б.А. Гижевский, А.С. Москвин, Т.А. Белых,
С.В. Наумов, А.А. Самохвалов, ФТТ 40, 418 (1998).
5. А.И. Бажин, Д.В. Гранкин, Вестник ДонНУ. Сер. А № 1, 249 (2002).
6. А.Г. Милославский, Н.В. Сунцов, ФТВД 7, № 2, 94 (1997).
7. M.R. Вrown, A.F.J. Cox, W.A. Shavel, J.M. Williams, Solid State Commun. 9, 37 (1971).
8. Я.М. Кривошеев, А.И. Бажин. Н.В. Сунцов, Вестник ДонНУ. Сер. А № 1, 229
(2002).
9. А.В. Бобыль, М.К. Шейнкман, УФЖ 23, 945 (1978).
10. А.Н. Кислов, В.Г. Мазуренко, ФТТ 40, 2213 (1998).
Y.M. Krivosheyev, A.G. Petrenko, A.I. Bazhin
MODIFICATION OF PROPERTIES OF PERSPECTIVE PHOSPHORS
INFLUENCED BY LOW-ENERGY ION BEAM
The spectra of reflection, occluding, thermally stimulated luminescence (TSL) of ZnS, ZnO
before and after the irradiation by beam of helium ions of low energies are investigated. Is
shown, that it is possible to approach the analysis of happening changes from unified ideal-
ized standpoints when considering such compounds as MeX.
Fig. 1. Absorption spectra depending on wavelength before (curve 1) and after (2) irra-
diation by helium ions
Fig. 2. TSL curves for two samples (curves 1 and 2) of ZnS with different stoichiometry
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 2
45
and conditions of preparation, max = 525 nm; 2 the sample 2 is irradiated by helium
ions
Fig. 3. Spectra of factor dependence on wavelength for two samples of ZnO before
(curves 1, 2) and after (1, 2) irradiation by helium ions
Fig. 4. Spectrum of ZnO photoluminescence, sample 1 before irradiation
МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЛЮМИНОФОРОВ �ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПУЧКА ИОНОВ НИЗКИХ ЭНЕРГИЙ
MODIFICATION OF PROPERTIES OF PERSPECTIVE PHOSPHORS INFLUENCED BY LOW-ENERGY ION BEAM
|