Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели

Проведены исследования термолюминесценции (ТЛ) монокристаллов шпинели MgAl2O4 после УФ и рентгеновского облучения методом самосогласованного нагрева. Показано, что наблюдаемые максимумы ТЛ при температурах ~360 и ~530 К в УФ и зелёной областях спектра соответственно сложные и состоят из нескольки...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2005
Hauptverfasser:	Кобяков, В.А., Грицына, В.Т., Казаринов, Ю.Г., Волокитин, В.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2005
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80575
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:	Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели / В.А. Кобяков, В.Т. Грицына, Ю.Г. Казаринов, В.Н. Волокитин // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 36-43. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-80575
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-805752015-04-20T03:02:21Z Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели Кобяков, В.А. Грицына, В.Т. Казаринов, Ю.Г. Волокитин, В.Н. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Проведены исследования термолюминесценции (ТЛ) монокристаллов шпинели MgAl2O4 после УФ и рентгеновского облучения методом самосогласованного нагрева. Показано, что наблюдаемые максимумы ТЛ при температурах ~360 и ~530 К в УФ и зелёной областях спектра соответственно сложные и состоят из нескольких сильно перекрывающихся парциальных максимумов. С помощью метода самосогласованного нагрева удалось установить ориентировочное положение парциальных максимумов, входящих в состав максимумов при ~360 и ~530 К, а также определить порядок кинетики, энергии активации и частотные факторы для некоторых максимумов термовысвечивания. Проведено дослідження термолюмінесценції монокристалів шпінелі MgAl2O4 після УФ та рентгенівського опроміне ння методом самоузгодженого нагріву. Показано, що максимуми ТЛ, що спостерігаються при температурах ~360 и ~530 К в УФ та зеленій областях спектру, відповідно, складні та складаються з декількох парціальних максимумів, що сильно перекриваються. За допомогою метода самоузгодженого нагріву вдалося установити приблизне положення парціальних максимумів, що входять до складу максимумів при ~360 К та ~530 К, а також визначити порядок кінетики, енергії активації та частотні фактори для деяких максимумів термовисвітлювання. The investigations of thermoluminescence of spinel single crystals MgAl2O4 after UV- and X-ray irradiation was provided by using method of self consisting heating. It was shown, that observed maxima at temperatures of ~360 and~530 K in UV- and green ranges of spectra, respectively, are complex and consist of several strongly overlapping partial maxima. By using method of self consisting heating we have revealed the approximate position of partial maxima, which are included in maxima of ~ 360 and ~ 530 K, and for some partial maxima there was obtained the order of kinetics, activation energies, and frequency factors. 2005 Article Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели / В.А. Кобяков, В.Т. Грицына, Ю.Г. Казаринов, В.Н. Волокитин // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 36-43. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80575 535.3 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
spellingShingle	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Кобяков, В.А. Грицына, В.Т. Казаринов, Ю.Г. Волокитин, В.Н. Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели Вопросы атомной науки и техники
description	Проведены исследования термолюминесценции (ТЛ) монокристаллов шпинели MgAl2O4 после УФ и рентгеновского облучения методом самосогласованного нагрева. Показано, что наблюдаемые максимумы ТЛ при температурах ~360 и ~530 К в УФ и зелёной областях спектра соответственно сложные и состоят из нескольких сильно перекрывающихся парциальных максимумов. С помощью метода самосогласованного нагрева удалось установить ориентировочное положение парциальных максимумов, входящих в состав максимумов при ~360 и ~530 К, а также определить порядок кинетики, энергии активации и частотные факторы для некоторых максимумов термовысвечивания.
format	Article
author	Кобяков, В.А. Грицына, В.Т. Казаринов, Ю.Г. Волокитин, В.Н.
author_facet	Кобяков, В.А. Грицына, В.Т. Казаринов, Ю.Г. Волокитин, В.Н.
author_sort	Кобяков, В.А.
title	Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели
title_short	Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели
title_full	Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели
title_fullStr	Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели
title_full_unstemmed	Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели
title_sort	термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2005
topic_facet	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80575
citation_txt	Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели / В.А. Кобяков, В.Т. Грицына, Ю.Г. Казаринов, В.Н. Волокитин // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 36-43. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT kobâkovva termolûminescenciâdefektovstehiometričeskojmagnijalûminievojšpineli AT gricynavt termolûminescenciâdefektovstehiometričeskojmagnijalûminievojšpineli AT kazarinovûg termolûminescenciâdefektovstehiometričeskojmagnijalûminievojšpineli AT volokitinvn termolûminescenciâdefektovstehiometričeskojmagnijalûminievojšpineli
first_indexed	2025-07-06T04:34:51Z
last_indexed	2025-07-06T04:34:51Z
_version_	1836870786644705280
fulltext	УДК 535.3 ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ДЕФЕКТОВ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОЙ МАГНИЙ-АЛЮМИНИЕВОЙ ШПИНЕЛИ В.А. Кобяков, В.Т. Грицына, Ю.Г. Казаринов, В.Н. Волокитин Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, г. Харьков, Украина Проведены исследования термолюминесценции (ТЛ) монокристаллов шпинели MgAl2O4 после УФ и рентгеновского облучения методом самосогласованного нагрева. Показано, что наблюдаемые максимумы ТЛ при температурах ~360 и ~530 К в УФ и зелёной областях спектра соответственно сложные и состоят из нескольких сильно перекрывающихся парциальных максимумов. С помощью метода самосогласованного нагрева удалось установить ориентировочное положение парциальных максимумов, входящих в состав мак симумов при ~360 и ~530 К, а также определить порядок кинетики, энергии активации и частотные факторы для некоторых максимумов термовысвечивания. 1. ВВЕДЕНИЕ Магнийалюминиевая шпинель – сложный оксид, имеющий кубическую решетку с Fd3m симметрией, содержащей 32 атома кислорода, которые образуют плотную упаковку в элементарной ячейке. В шпи нельной структуре катионы занимают 16 из 32 окта пустот и 8 из 64 тетрапустот в элементарной ячейке. Естественная шпинель (MgAl2O4) является нормаль ной, в которой ионы Mg2+ занимают тетрапозиции, а ионы Al3+ – октапозиции. Выращенные в лаборатор ных условиях кристаллы шпинели частично обраще ны, т.е. часть катионов Mg2+ занимают октапозиции и столько же катионов Al3+ – тетрапозиции. В ре зультате частичной обращенности могут образовы ваться заряженные дефекты, именуемые в литерату ре дефектами антиструктуры, которые способны за хватывать дырки – 2 octMg −+й щл ы или электроны – ( )3 tetAl ++ . Параметр обращенности, характеризующий ко личество дефектов антиструктуры, образовавшихся при выращивании, для стехиометрических кристал лов составляет 0.15…0.27 [1]. При облучении кристаллов MgAl2O4 рентге новскими квантами или УФ излучением происходит перезарядка дефектов, обусловливая свечение кри сталлов в ультрафиолетовой, зеленой и красной об ластях спектра [2]. Наиболее интенсивная полоса в спектрах излучения облученных кристаллов нахо дится в области 200…300 нм и связывается с реком бинационной люминесценцией локализованных электронно-дырочных пар на дефектах антиструкту ры [3]. Свечение в зеленой области спектра связыва ется с процессами, происходящими с участием ионов марганца, присутствующими в кристалле как неконтролируемая примесь. Эти полосы наблюда ются в экспериментах по изучению рентгенолюми несценции, фотовозбуждения вакуумным ультрафи олетом, а также термолюминесценции (ТЛ) после облучения кристаллов γ-квантами, рентгеновскими квантами или УФ-светом. Из всех методов ТЛ отличается наибольшей чув ствительностью к процессам рекомбинации. Терми ческое высвобождение носителей заряда из ловушек при нагревании образца и исследования люминес ценции на центрах рекомбинации дает ценную ин формацию как о самих центрах рекомбинации, так и о свойствах ловушек. Так, энергия активации дает сведения о глубине ловушек; порядок кинетики и частотный фактор – о механизме рекомбинационной люминесценции. Облучение образцов квантами с различной максимальной энергией (рентгеновское излучение, вакуумный ультрафиолет) при исследо вании термолюминесцентных процессов может дать информацию о типах ловушек носителей заряда и их пространственном распределении. Представляет интерес определения кинетических характеристик процессов, отнесённых к рекомбинационной люми несценции на дефектах антиструктуры, и процессов свечения, обусловленных присутствием ионов мар ганца, максимумы ТЛ которых расположены в обла сти 266 нм и 520 нм соответственно. 2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРА МЕТРОВ ТЛ Интерпретация результатов, полученных по дан ным термовысвечивания (ТВ), значительно затруд нена ввиду отсутствия аналитического решения ко нечного вида для кривой ТВ при линейном нагреве. Методы определения параметров ловушек, основан ные на анализе формы кривой ТВ, как правило, предполагают введение приближений, которые мо гут приводить к значительным ошибкам (в случае неправильного предположения о порядке кинетики процесса), и применимы только к элементарным максимумам как в спектральном отношении, так и по температуре. Второй подход интерпретации ре зультатов данных ТВ – это математическая подгон ка формы кривой ТВ вариацией кинетических пара метров. Однако подгонка не содержит физической сути процесса ТВ, хотя с высокой точностью может дать светосумму под кривой. Феноменологические параметры однозначно определяют кривую ТВ, од нако кривая ТВ неоднозначно характеризует эти па раметры. В связи с вышесказанным, представляется важ ным количественное определение анализа феноме нологических параметров, применяя видоизменён _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №.5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 36-43. 36 ный метод термовысвечивания [4], так называемый метод «самосогласованного» нагрева. При этом экс перимент состоит в подборе такого закона нагрева образца, чтобы интенсивность люминесценции оста валась на постоянном уровне (метод постоянного сигнала). Анализируя полученный закон изменения температуры, производится выбор реализуемого в эксперименте процесса (кинетика первого или вто рого порядка) и определяются параметры выбран ной модели. Известно, что при опустошении данного класса моноэнергетических ловушек кинетика часто стано вится более сложной, включая переход от процесса первого порядка к процессу второго порядка или наоборот. В таких случаях метод анализа кривых ТВ не обеспечивает выбора процесса кинетики и расчет основных параметров, тогда как метод постоянного сигнала [4] позволяет не только определить порядок кинетики и температурный диапазон его реализа ции, но и кинетические параметры. При этом соот ношения, связывающие экспериментально измерен ные величины (время t и температуру Т) с парамет рами модели, получаются в аналитическом виде, поэтому существенных приближений делать не при ходится. Рассмотрим основные соотношения метода по стоянной люминесценции, ограничиваясь процесса ми перераспределения электронов между ловушка ми и их рекомбинацией на одном центре рекомбина ции. В случае кинетики первого порядка, согласно [5], справедливы соотношения изменения концен трации электронов на ловушках 0 ,exp( )j j j j j dn kT n dt α ω ε= − − (1) и интенсивности люминесценции при этом процессе 0 exp( )j j j j jJ q kT nγ ω ε∗= − , (2) где nj – концентрация электронов на ловушках j – го сорта; ω0j – частотный фактор; εj – энергия термиче ской активации; αj – вероятность высвобождения электрона из ловушки; Jj – интенсивность рекомби национной люминесценции; q* – вероятность ре комбинации с излучением; γj – доля прорекомбини ровавших электронов. Для осуществления с какого-то момента режима постоянной интенсивности люминесценции, т.е. J j=const . необходимо, чтобы 0 exp( ).j j jn n kTεў= ,** (3) где nj0’ – начальная концентрация электронов на ло вушках j-го типа. (Дальнейшие обозначения соот ветствуют обозначениям, приведенным в [5].) Представим, что это осуществляется при режиме нагрева ( )dt f T dT = ; (4) тогда, учитывая (1) и интегрируя, получим 0ln exp( ) ( )j j j jn kT f T dT Cα ω ε= − − +т . (5) Но, согласно (3), 0ln ln j j jn n kT ε ў= + . (6) Приравнивая правые части (5), (6) и дифференцируя полученное равенство, получается дифференциаль ное уравнение для неизвестной функции ( )f T , ре шением которого при начальных условиях t=t 0 , 0T T= является 0 0 0 1 exp expj j j j t t a kT kT ε ε ω й щж ц ж ц − = −к ъз ч з ч к ъи ши шл ы . (7) Это выражение можно привести к виду: 0 0 ( ) 1ln ln ln( ) (1/ ) j j j j d t t a d kT kT ε ω ε−й щ − = − +к ъ л ы . (8) Уравнение (8) определяет прямую в координатах 2 1ln f kTkT β ж ц= з чи ш , (где β – скорость нагрева образца в каждый момент времени при самосогласованном нагреве), положение которой не зависит от величи ны Т0, при которой осуществляется переход к режи му Ji = const. Это признак процесса первого порядка. В случае процесса второго порядка, согласно [5], основными соотношениями будут ( ) 20 0 expm m m m m m dn n dt kT σ ω ε σ ν ж ц= − −з чи ш , (9) m m dn J q dt = − ∗ . (10) Расчеты, подобные проделанным, приводят к со отношению 0 0 0 0 0 0 exp exp 2 2 m m m m m m m t t n kT kT kT σ ν ε ε ε ω σ й щж ц ж ц − = − +к ъз ч з ч к ъи ш и шл ы , (11) которое также можно привести к линейному виду: 0 0 0 0 0 ( ) ln (1/ ) 1ln ln 2 2 2 m m m m m m m d t t d kT n kT kT ε ω σ ε ε σ ν −й щ − =к ъ л ы − + + . (12) При выборе различной величины постоянной ин тенсивности люминесценции (различных T0 при t = t0) должно получиться семейство параллельных прямых, сдвинутых по оси ординат. Величины сдви гов определены третьим членом правой части соот ношения (12), и это является признаком процесса второго порядка. В работе [6] проведено математическое модели рование проверки применимости метода для реше ния кинетических уравнений, описывающих измене ние во времени заполнений m сортов ловушек и сде лан вывод, о применимости подхода и в этих случа ях. Таким образом, процедура определения кинети ческих характеристик термолюминесцентного мак симума будет сводиться к следующим этапам: _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №.5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 36-43. 37 − измерение спектра ТЛ при линейном нагреве со скоростью β (чтобы убедится, что максимум ТЛ не содержит полос с другой длиной волны); − определение интенсивности исследуемого мак симума ТЛ на уровне J1 = 0.1Jmax и J2 = 0.2Jmax; − измерение зависимости T = f(t), при выбранных t = t0 и T = T0, определяющих постоянный уровень сигнала равный J1 = 0.1Jmax, а затем равный J2 = 0.2Jmax; − по полученным данным, после соответствующей обработки, строятся графики в координатах 2 1ln f kTkT β ж ц= з чи ш ; − непосредственно из графиков определяются по рядок кинетики, энергия активации, а подставив эти значения в соответствующее уравнение, вы числяется частотный фактор. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ОБЛУЧЕНИЕ ОБРАЗЦА Метод постоянного сигнала, или самосогласо ванный нагрев, был реализован на установке (рис. 1), состоящей из нагревателя для образца, по мещенного в свето- и теплоизолирующую камеру; зеркального конденсора, с помощью которого излу чение образца транспортируется на входную щель монохроматора; а также дифракционного сканирую щего монохроматора МСД-2, на выходную щель ко торого установлен фотоприемник типа ФЭУ-106. МСД-2 ФЭУ Нагреватель образца Конденсор Светофильтры Блок питания нагревателем Усилитель сигнала термопары Блок питания ФЭУ Усилитель и АЦПКомпьютер Рентгеновская трубка Монохроматор Оптический затвор Рентгеновский затвор Рис. 1. Блок - схема установки по измерению ТЛ методом самосогласованного нагрева Спектральный диапазон чувствительности фото приемника 160…830 нм. Спектральная область мо нохроматора МСД-2 составляла 200…800 нм с ли нейной дисперсией равной 4,6 нм/мм. Установка управляется персональным компьютером, который осуществляет режимы работы: измерение спектров ТЛ, измерение спектров рентгенолюминесценции и проведение самосогласованного нагрева. Все режи мы реализуются с помощью программ, которые ав томатически проводят управление монохроматором, нагревателем, а также измерения в выбранном режи ме с записью полученных результатов. Измерение спектров ТЛ проводилось при скоро сти нагрева 0.2 К∙с-1 в спектральных диапазонах: при обзорных спектрах в области 200…800 нм; при де тальных исследованиях в областях 200…350 нм и 460…600 нм при ширине щели равной 1 мм. Время прохода монохроматором детальных спектральных диапазонов составляло ~10 сек., обзорных – ~17 сек. Отклонение изменения температуры от линейного закона составляло 0,2%. В режиме самосогласован ного нагрева стабилизация интенсивности излуче ния образца при управлении температурой составля ла ~2…3% (с учетом шума). Для исследований ТЛ из були монокристалла MgAl2O4, выращенного методом Вернейля, выреза лись образцы размером 7×8 и толщиной 0,5 мм. Об разцы облучались рентгеновскими квантами на установке УРС-55М при напряжении на трубке БСВ-2Сu равном 40 кВ и токе трубки 10 мА на рас стоянии 2,5 см от выходного окна трубки, а также УФ-светом. В качестве источника УФ-света исполь зовалась охлаждаемая водой дейтериевая лампа типа ЛД(Д) мощностью 400 ВА, а образец охла ждался вентилятором. Облучение УФ-светом прово дилось тоже на расстоянии 2,5 см от выходного окна лампы. Так как после облучения у кристалла наблю дается продолжительное послесвечение в исследуе мых максимумах, образец после облучения выдер живался в темноте до тех пор, пока интенсивность _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №.5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 36-43. 38 свечения становилась порядка чувствительности установки. Представленные результаты соответству ют продолжительности облучения 0,5 ч как для рентгеновских квантов, так и для УФ-света. 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ 4.1. ПАРАМЕТРЫ РЕКОМБИНАЦИОННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ НА ДЕФЕКТАХ АНТИ СТРУКТУРЫ Спектр излучения исследуемых образцов в спек тральной области от 200 до 800 нм при темовысве чивании после облучения их рентгеновскими кван тами и УФ-светом состоит из максимумов, располо женных в УФ, зеленой и красной областях (рис. 2). Рис. 2. Трехмерный спектр термолюминесценции кристалла MgAl2O4 , облученного рентгеновскими квантами Максимум свечения в УФ-области спектра в ли тературе связывают с рекомбинационной люминес ценцией на дефектах антиструктуры. Детальное ис следование спектрального состава в максимуме све чения показало, что он содержит две полосы свече ния при 5.1 и 4.6 эВ после облучения УФ-светом и рентгеновскими квантами (рис. 3). EMBED Origin50.Graph 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 После рентгеновского облучения После УФ облучения И нт ен си вн ос ть , о тн . е д. Энергия фотонов, эВ Рис. 3. Спектр термолюминесценции в максимумах термовысвечивания (360 К) после рентгеновского и (356 К) УФ-облучения Соотношение интенсивности излучения в этих полосах составляет при облучении рентгеновскими квантами 1:2,5, при облучении УФ-светом – 1:3,2. Определение кинетических характеристик максиму ма ТЛ в полосе 5,1 эВ затруднено из-за малой её ин тенсивности. Поэтому определялись параметры мак симума ТЛ, расположенного при 4,6 эВ. Также предполагается, что вклад полосы с максимумом при 5,1 эВ будет мало влиять на результаты измере ний ТВ при самасогласованном нагреве в максиму ме полосы 4,6 эВ. Кривые ТВ, измеренные на длине волны 266 нм, приведены на рис. 4. 300 320 340 360 380 400 420 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 И нт ен си вн ос ть , о тн . е д. T, K 12 Рис. 4. Кривая ТВ кристалла MgAl2O4 в максимуме свечения при 4,6 эВ после облучения 30 мин 1 – рентгеновскими квантами; 2 – УФ-светом Температура максимумов после возбуждения рентгеновскими квантами и УФ-светом несколько различны, хотя спектральное положение в пределах ошибки эксперимента совпадает. Перед рассмотре нием результатов, полученных методом постоянно го сигнала, следует заметить, что, исходя из физиче ских принципов метода, для максимума термовы свечивания, обусловленного одним центром реком бинации и одним типом ловушек, график в коорди натах 2 1ln f kTkT β ж ц= з чи ш должен выглядеть как прямая ли ния, если процесс происходит по первому порядку кинетики. Если процесс идёт по второму порядку кинетики, то высвечивание при J1 = 0.1Jmax , J2 = 0.2Jmax и J3 = 0.3Jmax даст на графике три прямые, смещённые от носительно друг друга на величину, которая опреде ляется значением третьего члена правой части урав нения (12). В случае процесса, включающего как первый, так и второй порядок кинетики, на графике должны присутствовать, при J1 = 0.1Jmax, два линей ных участка. Причём в ТВ при J1 = 0,1Jmax, J2 = 0,2Jmax и J3 = 0,3Jmax, линейные участки, соответствующие второму порядку кинетики, должны быть смещены, а участки, соответствующие первому порядку, – укладываться на одну прямую. Если кривая ТВ со стоит из нескольких перекрывающихся максимумов, то график в координатах 2 1ln f kTkT β ж ц= з чи ш , для, напри мер, J1 = 0.1Jmax будет представлять результирую щую линейных участков, расположенных в разных температурных интервалах. _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №.5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 36-43. 39 Результаты измерений методом постоянного сиг нала при J1= 0,1Jmax , J2= 0,2Jmax и J3= 0.3Jmax. для об разца MgAl2O4 в максимуме свечения 4,6 эВ после облучения УФ-светом показаны на рис. 5. Анализ графика позволяет заключить что: а) процесс термовысвечивания проходит в нача ле по второму порядку кинетики, а затем переходит в первый; б) структура области графика, соответствующая кинетике второго порядка, на основе изложенных выше рассуждений, указывает на не элементарность максимума термовысвечивания. 29 30 31 32 33 34 35 36 37 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 J 1 = 0.1J max J 2 = 0.2J max J 3 = 0.3J max -ln (β /k T2 ), (э В ·с )-1 1/kT, эВ-1 tgα=0.85 tgα=0.85 Рис. 5. График зависимости –ln(β/kT2) как функции от 1/kT, полученный методом постоянного сигнала после облучения образца УФ-светом Максимумы ТВ, дающие вклад в исследуемый максимум, логично определять по участкам графи ка, имеющим малые изменения ординаты. Из хода зависимости при различных значениях Ji можно определить наличие максимумов, которые сведены в табл. 1. Таблица 1 Наличие максимумов Номер мак симума J1 = 0.1Jmax J2 = 0.2Jmax J3 = 0.3Jmax 1 319 К 2 329 К 327 К 3 345 К 338 К 332 К 4 (~360 К) 352 К 342 К Видно, что положения максимумов в измерениях при различных значениях начального уровня сигна ла коррелируют между собой. Некоторое смещение их обусловлено изменением скорости нагрева при разных значениях Ji. Отсутствие видимого излома для максимума ~360 К при измерении на уровне 0.1Jmax, по всей вероятности, связано с тем, что ин тенсивности максимумов при 345 и 360 К имеют наибольшие значения по сравнению с остальными, что обусловливает высокую степень их перекрытия. Поэтому, при установленной начальной интенсив ности 0.1Jmax опустошение ловушек, обусловливаю щих максимум ТВ 345 К, непрерывно переходит к опустошению ловушек, обусловливающих макси мум ТВ ~360 К. При измерениях на уровнях 0,2Jmax и 0,3Jmax предшествующие максимумы частично от жигаются и проявляются участки, соответствующие максимумам 352 и 342 К, которые с учетом сдвига в низкотемпературную область коррелируют с макси мумом при ~360 К. Исходя из вида кривой термовысвечивания (см. рис. 4) и анализа графика по высвечиванию при по стоянном сигнале (см. рис. 5), можно предположить, что в области ~375 К также присутствует максимум. Строго говоря, установка значения постоянного сиг нала, равного 0,1Jmax; 0,2Jmax и 0,3Jmax, справедливы только для основного максимума при ~360 К. Для остальных перекрывающихся максимумов, интен сивности которых меньше, эти значения завышены. Поэтому при опустошении ловушек с одной энерги ей активации происходит подмешивание носителей из другой ловушки с близким значением энергии ак тивации. Это затрудняет точное определение энер гии активации для каждой ловушки. Так в измере нии при Ji = 0,3Jmax линейный участок, который соот ветствует в измерениях при Ji = 0,1Jmax и 0,2Jmax кине тике первого порядка, имеет тот же наклон, но сме щен. Это смещение можно трактовать как переход ко второму порядку кинетики или как к подмешива нию носителей из ловушек, обусловливающих мак симум, расположенный при более высокой темпера туре, интенсивность которого сравнима с установ ленным значением начального сигнала (Ji = 0,3Jmax). Мы считаем, что в данном случае происходит под мешивание в рекомбинационное свечение носи телей, высвободившихся из ловушек, обусловлива ющих максимум ~375 К, что приводит к смещению в область меньших температур (в результате увели чения скорости нагрева). На это указывает и величи на смещения, которая должна быть одинакова для всех кривых. Определенная энергия активации по первому по рядку кинетики для основного максимума состав ляет 0,85 эВ. Эти данные согласуются с данными из мерений термостимулированной проводимости, в которых была обнаружена высокая концентрация мелких электронных ловушек с термической глуби ной ~0.9 эВ. Было предположено, что дефекты анти структуры, например, ( )3 tetAl ++ т.е. 3 tetAl + ион в тет раэдрической позиции является ответственным за эту электронную ловушку [7]. Кривая ТВ после рентгеновского облучения (см. рис. 4.) занимает больший температурный интервал, что указывает на большую эффективность заполне ния ловушек. Возникает вопрос: происходит более эффективное заполнение уже определенных при УФ-облучении ловушек, или происходит заполне ние и других, более глубоких, ловушек при рентге новском облучении. В связи с этим представляет ин терес установления корреляции в положениях воз можных максимумов после рентгеновского и УФ- облучения. _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №.5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 36-43. 40 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 1 - J 1 = 0.1J max 2 - J 2 = 0.2J max -ln (β /k T2 ), (э В ·с )-1 1/kT, эВ-1 tgα=0.65 1 2 Рис. 6. График зависимости –ln(β/kT2) как функции от 1/kT, полученной методом постоянного сигнала после облучения образца рентгеновскими квантами Результаты измерений методом постоянного сиг нала для того же образца, но после облучения рент геновскими квантами показаны на рис. 6. Как можно видеть, ход зависимости очень похож на ранее рассмотренный. В табл. 2 приведены положения определенных из эксперимента максимумов. Таблица 2 Номер максимума J1 = 0.1Jmax J2 = 0.2Jmax 1 324 К 2 337 К 335 К 3 350 К 345 К 4 (~365 К) 361 К 5 (~385 К) (~385 К) Принимая во внимание тот факт, что при увели чении степени заполнения ловушек максимум ТВ сдвигается в область высоких температур и сравни вая данные положений максимумов, полученные по сле рентгеновского и УФ-облучения (см. табл. 1 и 2), можно заключить, что имеется одинаковый на бор перекрывающихся максимумов. При этом после облучения рентгеновскими квантами интенсивность низкотемпературных максимумов ТВ увеличивается незначительно в сравнении с максимумами в этой области, полученными после УФ-облучения (см. рис. 4). Увеличение интенсивности происходит в основ ном максимуме, а особенно в максимуме при ~385 К. Как и в случае УФ-облучения, процесс ТВ идет сначала по второму порядку кинетики. Линей ный участок в конце измерений указывает (как и в случае измерений после облучения УФ-светом) либо на второй порядок кинетики, либо на подме шивание носителей из ловушки, обусловливающей максимум термовысвечивания в области ~385 К. Однако величина смещения для второго порядка ки нетики должна быть порядка наблюдаемой в начале процесса. Поэтому можно предположить, что про цесс идет в этой области все же по первому порядку кинетики с энергией активации, равной 0,65 эВ. Результаты показывают, что после УФ-облуче ния энергия активации, ответственная за люминес ценцию в основном максимуме, больше, чем после рентгеновского облучения. Этот неожиданный ре зультат можно объяснить разным окружением и пространственным распределением однотипных ло вушек, образующихся после УФ- и рентгеновского облучения. На это обстоятельство указывает и вы численная из графиков величина частотного факто ра, которая составляет 5,3⋅1011 с-1 после облучения УФ-светом и 2,2⋅109 с-1 после облучения рентге новскими квантами. Таким образом, максимум ТВ в УФ-области спектра является не элементарным, а состоит из на бора перекрывающихся максимумов, обусловлен ных наличием, по крайней мере, нескольких типов ловушек носителей заряда с различной энергией ак тивации. 4.2. ПАРАМЕТРЫ ТЛ С УЧАСТИЕМ ИОНОВ МАРГАНЦА Спектр ТВ в зеленой области спектра с максиму мом при ~530 К содержит одну полосу свечения с максимумом при 518 нм. Эта полоса идентифициру ется с рекомбинационной люминесценцией, прохо дящей с участием ионов Mn2+, входящих в кристал лическую решетку шпинели преимущественно в тетрапозиции. Ионы марганца являются основной неконтролируемой примесью при выращивании. Спектр этой полосы не зависел от применяемого нами типа облучения (рис. 7). 440 460 480 500 520 540 560 580 600 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 И нт ен си вн ос ть , о тн . е д. Длина волны, нм - экспериментальные значения - сглаженные по 10 точкам Рис. 7. Спектр ТЛ MgAl2O4 в максимуме 530 К Для определения кинетических характеристик максимума ТВ при 530К была измерена, как и в слу чае максимума в УФ-области спектра, ТЛ на длине волны 518 нм после облучения УФ-светом и рентге новским излучением (рис. 8). _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №.5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 36-43. 41 400 450 500 550 600 650 700 0,00 0,01 0,02 0,03 И нт ен си вн ос ть , о тн . е д. T,K УФ облучение рентгеновское облучение Рис. 8. Термолюминесценция кристалла MgAl2O4 на длине волны 518 нм после УФ и рентгеновского об лучения в течение 30 мин Как видно из этого рисунка, интенсивность и ширина максимума термовысвечивания слабо зави сят от типа облучения. Поэтому уровни постоянного сигнала для определения кинетических характери стик были одинаковы. Результаты измерений методом постоянного сиг нала представлены на рис. 9 и 10, из которых можно заключить, что процесс высвобождения носителей заряда из ловушек проходит по второму порядку ки нетики как после облучения УФ-светом, так и после рентгеновского облучения. Применяя вышеизложенную методику анализа хода кривых, был сделан вывод о неэлементарности максимума ТВ при 518 нм. Исследования показали, что в области температур 370…530К расположена группа сильно перекрывающихся максимумов, причем степень перекрытия зависит от типа облуче ния. Это связано с тем, что интенсивность ТЛ на восходящей ветви кривой ТВ различна, что обуслав ливает разное соотношение интенсивностей этой группы максимумов после облучения УФ-светом и рентгеновскими квантами. На это обстоятельство указывает и разное уменьшение скорости нагрева в этом температурном интервале при нагреве с разным начальным постоянным сигналом (см. рис. 9, 10). 17 18 19 20 21 22 23 24 25 3,85 4,40 4,95 5,50 6,05 6,60 1 - J1= 0.1Jmax 2 - J2= 0.2Jmax -ln (β /k T2 ), (э В ·с )-1 1/kT, эВ-1 2 1 tgα = 0,56 tgα = 0,56 tgβ = 0,45 tgβ = 0,45 Рис. 9. График зависимости –ln(β/kT2) как функции от 1/kT, полученных методом постоянного сигнала, после облучения образца УФ-светом 17 18 19 20 21 22 23 24 25 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 1 - J1= 0.1Jmax 2 - J2= 0.2Jmax -ln (/k T2 ),( эВ ·с )-1 1/kT, эВ-1 tgα = 0,48 1 2 tgβ 1 = 0,4 tgβ 2 = 0,46 tgα = 0,48 Рис. 10. График зависимости –ln(β/kT2) как функции от 1/kT, полученных методом постоянного сигнала, после облучения образца рентгеновскими квантами Так как установленные в эксперименте уровни постоянного сигнала соответствовали максимуму общей кривой ТВ, то для этой группы максимумов уровни получились завышены. Поэтому из графиков можно определить только ориентировочное положе ние максимумов в этом температурном интервале. Положения и количество максимумов во всем ис следуемом температурном интервале для полосы люминесценции при 518 нм после облучения УФ- светом и рентгеновскими квантами показано в табл. 3. Как видно из таблицы, положения максимумов, полученных методом постоянного сигнала при разных типах облучения, коррелируют межу собой. Предположительное существование максимума при ~450 K связано с сильным уменьшением скорости нагрева при выходе сигнала на установленный уро вень J1 = 0,1Jmax. По всей вероятности интенсивность этого максимума сравнима с установленным в экс перименте начальным уровнем сигнала. Это приво дит к уменьшению скорости нагрева, необходимого для поддержания условия dni dt =const . Таблица 3 Номер макси- мума УФ облучение Рентгеновское облучение J1= 0.1Jmax J2= 0.2Jmax J1= 0.1Jmax J2= 0.2Jmax 1 ~450 К ~450 К 2 478 К 480 К 3 4 519 К среднее 506 К 504 К 496 К 526 К 520 К 516 К 5 576 К 574 К 578 К 576 К Указанием на существование максимума при ~640 K является, с одной стороны, изменение хода кривой графика в области высоких температур (см. рис. 9, 10), с другой, – вид кривой термовысвечива ния в этой температурной области (см. рис. 8). Более интенсивные максимумы ТВ расположены при ~530 и ~580 K. _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №.5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 36-43. 42 Как и в случае исследования ТЛ в УФ-области, кинетические параметры для максимума 518 нм за висят от типа облучения. Так, определенная в экспе рименте энергия активации для максимума ~580 K после УФ-облучения составляет 1,12 эВ, после рент геновского облучения – 0,96 эВ. Эти значения под тверждают предположение об изменении окружения ловушек заряда в сторону уменьшения их глубины. Так как интервал между основными максимума ми составляет в эксперименте ~50 К, на образце, об лученном УФ-светом, удалось получить значение энергии активации для максимума ~530 К, которое составляет 0,9 эВ (см. рис. 9). При рентгеновском облучении интенсивность максимума при ~530 К меньше, чем при УФ-облучении (см. рис. 8) и срав нивается с интенсивностью максимума при ~580 K. Поэтому в эксперименте на кристаллах, облученных рентгеновскими квантами, ход линейного участка, ответственного за энергию активации, меняет на клон (см. рис. 10). Однако вычисленное среднее зна чение энергии активации составляет 0,92 эВ, что в пределах ошибки совпадает со значением, получен ным в эксперименте по УФ-облучению. Для вычисления значений эффективного частот ного фактора по определенным из эксперимента энергиям активации необходимо воспользоваться уравнением (12), описывающим процесс второго по рядка кинетики. В случае элементарного максимума термовысвечивания значение температуры Т0, вхо дящее в уравнение, является температурой, при ко торой начинается измерение на уровне, например, J = 0,1Jmax. В случае неэлементарности максимума ТВ, как в рассматриваемом случае, выбор значения Т0 для расчетов требует анализа. Если считать, что значение Т0, соответствует температуре, при кото рой все исследуемые ловушки заполнены, то для максимумов ~530 и ~580 K начало ТВ соответствует этому условию. С другой стороны, до отжига макси мума при ~500 K это условие тоже соблюдается. Поэтому мы вычислили значения эффективного ча стотного фактора при различных значениях Т0, удовлетворяющих условию заполненности ловушек, ответственных за максимумы ТВ при ~530 и ~580 K. Определенные значения эффективного частотного фактора для ловушек с энергией активации 1.12 и 0.9 эВ после УФ-облучения составляют ~3⋅1011 и ~2⋅ 1010 с-1 соответственно. У образцов, облученных рентгеновскими квантами, для ловушек с энергией активации 0,96 и 0,92 эВ значения эффективного фактора составляют ~5⋅109 и ~2⋅1010 с-1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенные исследования ТЛ стехиометриче ской магнийалюминиевой шпинели в УФ-и зеленой областях спектра, облученной различными типами излучения, показали, что эти максимумы не элемен тарны, а состоят из набора максимумов с разными значениями интенсивности. Используя метод посто янного сигнала, удалось получить области располо жения этих максимумов. Степень перекрытия полу ченных в экспериментах максимумов такова, что по пытка частичным отжигом разделить их приводит только к смещению результирующего максимума в область высокотемпературного максимума [8]. Определено, что высвобождение носителей заря да из ловушек, ответственных за рекомбинацион ную люминесценцию в УФ-области спектра, прохо дит сначала по второму порядку кинетики, а затем по первому порядку. Высвобождение носителей за ряда из ловушек, ответственных за свечение в зеле ной области спектра, проходит только по второму порядку кинетики. По всей вероятности, при рентгеновском облуче нии изменяется, по сравнению с УФ-облучением, окружение ловушек носителей заряда, что приводит к уменьшению энергии активации при высвобожде нии носителей зарядов. Для некоторых максимумов ТВ в УФ и зеленой областях спектра определены энергии активации и частотные факторы. Работа была выполнена при финансовой под держке Фонда гражданских исследований и разви тия (США) для независимых государств бывшего СССР (CRDF), грант UE2 – 2226, Научно-техниче ского центра в Украине (УНТЦ), грант №2058 и Ми нистерства образования и науки Украины, проект №7-13-03. ЛИТЕРАТУРА 1. K.E. Sickafus, J.M. Wills, N.W. Grims. Structure of spinel //J. Am. Ceram. Soc. 1999, v. 82, N12, p. 79– 92. 2. Ю.Г. Казаринов, В.Т. Грицына, В.А. Кобяков, К.Е. Сикафус. Люминесцентные свойства моно кристаллов шпинели при воздействии ионизиру ющих излучений //Вопросы атомной науки и техники. 2002, №3. (81), с. 53–57. 3. А.А. Гайлитис, П.А Кулис /В сб.: Уч. зап. Латв. Унив. 1974, т. 208: Электронные и ионные про цессы в ионных кристаллах, в. 2, с. 66–77. 4. А.А. Гайлитис, Я.Л. Янсонс, И.К. Витол. Новый метод исследования энергитического спектра электронных состояний в кристаллофосфо рах //Изв. АН СССР. Сер. физ. 1969, 33, №6, с. 977–979. 5. В.В. Антонов-Романовский. Кинетика люминес ценции кристаллофосфоров. М.: «Наука», 1966. 6. А.А. Гайлитис и И.К. Витол. Моделирование ре комбинационных явлений и научного экспери мента //Изв. АН СССР. Сер. физ. 1971, т. 35, №7, с. 1301–1304. 7. G.S. White, R.V. Jones, J.H. Crawford, Jr., Optical spectra of MgAl2O4 crystals exposed to ionizing ra diation //J. Appl. Phys. 1982, v. 53, p. 265–270. 8. A. Lorincz, M. Puma, F.J. James, J.H. Crawford, Jr. thermally stimulated processes involving defects in γ- and x-irradiated spinel (MgAl2O4) //J. Appl. Phys. 1982, v. 53, p. 927–932. _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №.5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 36-43. 43 ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ДЕФЕКТІВ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОЙ МАГНІЙ-АЛЮМІНІЄВОЇ ШПІНЕЛІ В.А. Кобяков, В.Т. Грицына, Ю.Г. Казаринов, В.Н. Волокитин Проведено дослідження термолюмінесценції монокристалів шпінелі MgAl2O4 після УФ та рентгенівського опроміне ння методом самоузгодженого нагріву. Показано, що максимуми ТЛ, що спостерігаються при температурах ~360 и ~530 К в УФ та зеленій областях спектру, відповідно, складні та складаються з декількох парціальних максимумів, що сильно перекриваються. За допомогою метода самоузгодженого нагріву вдалося установити приблизне положення парціальних максимумів, що входять до складу максимумів при ~360 К та ~530 К, а також визначити порядок кінетики, енергії активації та частотні фактори для деяких максимумів термовисвітлювання. TERMOLUMINESCENCE OF STOICHIOMETRIC MAGNESIUM-AALUMINIUM SHPINEL DEFECTS V.A. Kobyakov, V.T. Gritsina, Y.G. Kazarinov, V.N. Volokitin The investigations of thermoluminescence of spinel single crystals MgAl2O4 after UV- and X-ray irradiation was provided by using method of self consisting heating. It was shown, that observed maxima at temperatures of ~360 and~530 K in UV- and green ranges of spectra, respectively, are complex and consist of several strongly overlapping partial maxima. By using method of self consisting heating we have revealed the approximate position of partial maxima, which are included in maxima of ~ 360 and ~ 530 K, and for some partial maxima there was obtained the order of kinetics, activation energies, and frequency factors. _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №.5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 36-43. 44

Термолюминесценция дефектов стехиометрической магний-алюминиевой шпинели

Institution

Ähnliche Einträge