А.А. Ковтун, канд. физ.-мат. наук
А.В. Рогоза, канд. физ.-мат. наук
Ю.Е. Шоломий, студент
Черниговский государственный технологический университет, г. Чернигов, Украина
СТРУКТУРА И ПРЕВРАЩЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЫРОЧНЫХ ЦЕНТРОВ В КРИСТАЛЛАХ KCL С ПРИМЕСЬЮ ИОНОВ НАТРИЯ
В статье приведены экспериментальные данные исследования структуры, свойств и превращения дырочных центров при нагревании кристаллов KCl с примесью ионов Na+ после их облучения g - или рентгенлучами при 77 K.
Ключевые слова: облучение, ионы Na+, полосы поглощения, дырочные центры, дипольные моменты.
У статті наведені експериментальні дані дослідження структури, властивостей та перетворення діркових центрів під час нагрівання кристалів KCl з домішкою іонів Na+ після їх опромінення g - або рентгенпроменями при 77 K.
Ключові слова: опромінення, іони Na+, смуги поглинання, діркові центри, дипольні моменти.
Experimental data of research into structure, properties and conversion of low-temperature centers when KCl crystals with Na+ ion admixture are heated to 77 K after being irradiating by g - or X-rays.
Key words: irradiating, Na+ ion, absorption bands, hole centres, dipole moments.
Вступление. В кристаллах KCl высокой частоты после облучения их рентгеновскими или g-лучами при температуре 77 K наблюдается в спектре оптического поглощения только одна электронная F-полоса, а полосы поглощения дырочных центров отсутствуют. Этот экспериментальный факт подтверждает предположение некоторых авторов о том, что сила осциллятора образовавшихся Vk – центров очень мала [1].
В результате введения нами в такой кристалл ионов Na+ после облучения при температуре 77 K в спектре поглощения возникла V1 (Na+)-полоса, что подтверждает тот факт, что V1 (Na+) – центр представляет собой дырку, локализованную возле иона Na+. Максимум оптического поглощения V1 (Na+)-центров соответствует длине волны l = 357 нм, полуширина полосы – 0,7 эВ. В работе [2] методом ЭПР установлено, что V1 (Na+)-центр представляет собой H-центр, локализованный возле иона Na+ и имеет ось симметрии, совпадающую приблизительно направлением <110> кристалла.
Методы и результаты. На рисунке 1, а представлен спектр оптического поглощения кристалла KCl с примесью ионов Na+ после 4-часового облучения рентгенлучами при температуре 77 K. Кроме электронной F-полосы поглощения в спектре наблюдается дырочная V1 (Na+)-полоса.
В результате нагревания кристаллов KCl : NaCl (1 мол. % NaCl в шихте), облученных рентгенлучами при температуре жидкого азота (рис. 1, кривая a) от 77 K до 163 K V1 (Na+)-полоса (357 нм) оптического поглощения пропадает и появляется новая ассиметричная VFA (Na+)-полоса (376 нм, рис. 1, кривая в) с люминесцентным свечением. Этой полосе соответствуют термически стабильные при 163 K VFA (Na+)-центры. Экспериментально установлено, что VFA (Na+)-полоса является дихроничной. Если освещать кристалл светом, соответствующим VFA (Na+)-полосе и поляризованным в направлении [001], то интенсивность этой полосы уменьшается в спектре оптического поглощения для света, поляризованного в направлении [001] кристалла, и увеличивается для света, поляризованного в направлении [010] (рис. 2, свет падал на кристалл в направлении [100]). Максимум поглощения VFA (Na+)-полосы для света поляризованного в направлении [001] приходится на длину волны l = 365 нм, а для света поляризованного в направлении [010] на длину волны l = 376 нм. Следовательно, VFA (Na+)-центру соответствуют две полосы оптического поглощения: VFA1 (Na+) (380 нм) и VFA2 (Na+) (365 нм). Положение максимума поглощения для VFA1 (Na+)-полосы, как показано на рисунке 2, определили путем вычитания ординат кривых а и б. Положение максимума поглощений для VFA2 (Na+)-полосы определяется из кривой а. Из угловой зависимости дихроизма (рис. 3) VFA (Na+)-полосы следует, что дипольные моменты этих переходов ориентированы вдоль направлений <100> кристалла.
Рис. 1. Спектры оптического поглощения кристаллов KCl:NaCl (1 мол. % NaCl в шихте):
а – после четырехчасового облучения рентгенлучами при 77 K; б – после нагревания до 138 K;
в – после нагревания до 163 K
Спектры поглощения сняты при температуре 77 K.
Рис. 2. Оптическое поглощение кристаллов KCl:NaCl (1 мол. % NaCl в шихте) с VFA (Na+)-центрами при 77 K. До измерения спектров кристалл был облучен светом l = 380 нм при 77 K, поляризованным в направлении [001]. Свет падал в направлении [100] кристалла: а – поглощение света, поляризованного в направлении [001]; б – поглощение света, поляризованного в направлении [010]
Рис. 3. Угловая зависимость дихроизма для поляризованного света с длиной волны l = 380 нм.
Предварительно кристалл облучен светом l = 380 нм, поляризованным в направлении [001] кристалла
Итак, исследование характера дихроизма на VFA (Na+)-центрах, возникших в результате нагревания кристалла с VF1 (Na+)-центрами до 163 K, показывает, что эти центры обладают осью симметрии, ориентированной в направлении [100] кристалла. Кроме того, новые дырочные VFA (Na+)-центры в своем составе содержат примесный ион Na+, т. к. в кристаллах высокой частоты они не возникают. Учитывая вышеизложенное, а также тот факт, что при облучении кристалла рентгеновскими лучами в нем образуются изолированные щелочные вакансии [3], можно предложить следующую модель нового дырочного центра: VFA(Na+) состоит из VF1 (Na+)-центра и находящейся рядом щелочной вакансии (рис. 4).
Далее нами показано, что в результате нагревания кристаллов KCl : NaCl с VFA (Na+)-центрами до 223 K вследствие диффузии этих центров происходит их аннигиляция с F-центрами, сопровождаемая люминесценцией, а также превращение VFA (Na+)-центров в V'2 (Na+)- и V''2 (Na+)-центры путем стабилизации первых дефектами кристаллической решетки. Дальнейшее нагревание до температуры 340 K разрушает дырочные V'2 (Na+)- и V''2 (Na+)-центры и образует диффундирующие по решетке кристалла VF-центры, которые слипаясь, образуют V3-центры, а также аннигилируют с F-центрами, вызывая люминесценцию.
Установлено, что если кристалл облучить рентгенлучами (g-лучами) при какой-нибудь промежуточной температуре, то в спектре оптического поглощения, кроме F-полосы, возникают дырочные полосы, за которые ответственны стабильные при этой температуре центры, образовавшиеся в результате сложного многоступенчатого ионно-электронного процесса.
Рис. 4. Модель VFA (Na+)-центра: [+] – вакансия щелочного металла; между примесным ионом Na+ и щелочной вакансией находится молекулярный ион в узле (H-центр)
Список использованных источников
1. Горбенко П. К. Природа и свойства дырочных центров в кристаллах КСІ / П. К. Горбенко, А. А. Ковтун // ФТТ. – 1971. – № 13. – С. 2766-1769.
2. Delbecq C., Hutchinson E., Schoemaker D., Yasaitis E., Yuster P. // Phys. Rev. – 1969. – № 187. – С. 1103.
3. Мелик-Гайказян И. Я. Радиационное образование бивакансий и катионных вакансий в СКt / И. Я. Мелик-Гайказян, Э. П. Куракина // Изв. АН СССР. Сер. физическая. – М., 1971. – Т. 35. – С. 1360-1363.