Радиационные процессы в ионных кристаллах (стр. 1 из 5)

РАДИАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ИОННЫХ KPИСТАЛЛАХ

§2.1. Оптическое возбуждение ионных кристаллов 11.14-16]

Под оптическим излучением понимается электромагнитное излучение с длинами волн, расположенными в диапазоне от 0,01 нм (

эВ)до 10мм ( эВ) [18]. Указанный диапазон электромагнитных волн охватывает в основном инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Хотя эти виды излучений весьма сильно различаются между собой по свойствам, природе излучателей и способы регистрации, тем не менее для всех их общим является то, что для них современная техника позволяет формировать достаточно направленные потоки волн и, следовательно, с помощь» их можно еще получать «изображение» предметов. Ниже будет идти речь о возбуждении кристаллов в основном оптическим излучением.

При облучении кристаллов квантами электромагнитного излучения и частицами (например, электронами) в широком диапазоне энергий можно осуществить возбуждение электронной и ядерной подсистем кристалла [14-16). В идеальном ионном кристалле в области энергий квантов 10 - 10» эВ наблюдается поглощение излучения, сопровождающееся возбуждением колебаний кристаллической решетки (созданием фотонов); в области энергии

эВ наблюдается поглощение, соответствующее возбуждению электронной подсистемы кристалла (созданию электронных возбуждений ); в области еще больших значений энергии могут осуществляться возбуждения ядер.

В реальном кристалле с собственными и примесными дефектами наблюдаются еще относительно слабые полосы поглощения в фотонной области и в области электронных возбуждений, обусловленные наличием этих дефектов.

Щелочно-галоидные соединения обладают широкими зонами запрещенных значений энергии (например, для ,NaCl= 8,6 эВ). Благодаря этому чистые ЩГК оптически прозрачны в широком спектральном диапазоне, включающем всю видимую и близкую инфракрасную область, а также значительную часть ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Эти кристаллы поглощают излучение с длинами волн в основном короче 210 нм (

> 5,9 эВ). Показатель поглощения

в максимумах полос достигает значений . Столь большие значения показателя поглощения свидетельствуют о том, что это поглощение связано не с дефектами кристалла, а с возбуждением собственных ионов, входящих в состав кристалла.

Спектральное положение наиболее интенсивного максимума (рис.2.1) зависит от природы аниона. Кроме того, при облучении кристалла излучением из области этой полосы поглощения кристалл практически не приобретает свойство фотопроводимости (см.: [17] , с.7). На основании этих фактов сделан вывод, что наиболее интенсивный максимум в спектре поглощения обусловлен созданием бестоковых подвижных электронных возбуждений - низкоэнергетических анионных экситонов (е°). Аннонный экситон в момент его рождения можно представить себе как возбужденное состояние аниона (

)* (§2.2).

Характерная ступенька в спектре поглощения, следующая за максимумом е°, обусловлена началом оптических переходов электронов из валентной зоны в зону проводимости, приводящих к созданию электронно-дырочных пар (

- возбуждений). При этом происходит ионизация анионов (X») и переход электронов к катионам ( ), кристалл становится токопроводящим.

При энергиях квантов, превышающих ширину запрещенной зоны (

), в спектре оптического поглощения наблюдается боль-вое число резких и размытых максимумов, налагающихся на относительно плавно изменяющийся «фон». Резкие максимумы обусловлены высокоэнергетическими анионными экситонами, а фон отражает структуру валентной зоны и зоны проводимости и соответствует рождению электронно-дырочных пар.

В ионных кристаллах существуют и катионные экситоны. Энергия возбуждения свободных ионов щелочных металлов имеют в эВ следующие значения:

; ; (см.:[16] c.29, с.29). В этих областях спектра обнаружены узкие, хорошо выраженные максимумы, характерные для каждого из катионов и слабо зависящие от анионов.

Поглощение оптического излучения, связанное с образованием в кристалле экситонов и электронно-дырочных пар, называется собственным или фундаментальным поглощением.

При наличии в кристалле примесных дефектов (в люминесцирующие кристаллы активирующая примесь обычно вводится преднамеренно, § 3.2) в запрещенной зоне энергии возникают локальные уровни E1, и E2, (рис. 1.8), соответствующие основному и возбужденное состояниям примесного центра. Локальным электронным возбуждениям соответствуют полосы поглощения l (рис. 2.1).

При возбуждении ионных кристаллов квантами электромагнитного излучения большой энергии (рентгеновское,

-излучение) в них протекают сложные процессы, которые схематично могут быть описаны следующим образом [14,16]. В результате первичного акта взаимодействия ионизирующей радиации с кристаллом в нем за время порядка ~ c возникают электроны большой энергии ( ); создающие в кристалле каскады вторичных электронов (рис. 2.2). В результате неизвестных пока процессов за время c. эти электроны создают нестабильные возбуждения кристаллической решетки, называемые резонансами (r), которые в течение c. распадаются на стабильные элементарные возбуждения (S )

При возбуждении кристалла медленными электронами и фотонами с энергией порядка ширины запрещенной зоны сразу создаются t -возбуждения или S -возбувдения (в зависимости от энергии возбуждающих частиц).

В ЩГК имеется два вида S -возбуждений : электронно-дырочные

дары и низкоэнергетические анионные экситоны. Роль этих элементарных электронных возбуждении в радиационных и люминесцентных процессах чрезвычайно велика. Именно они определяют процессы изменения химического состояния ионов примеси и ионов, образующих решетку кристалла, процессы накопления и распада различных радиационных дефектов (§§ 2.3; 2.4). Мигрируя по кристаллической решетке, S -возбуждения передают своп энергию (порядка ширины запрещенной зоны)центрам свечения, создавая локализованные возбужденные состояния, которые разрушаются с испусканием квантов люминесценции или безызлучательно (с испусканием фононов) (§ 3.5; 3,6).

Электронные возбуждения - один из видов нарушений (дефектов) идеальной кристаллической решетки. В самом деле, в идеальном ионном кристалле частично заполненные энергетические зоны отсутствуют. Следовательно, появившийся свободный электрон в зоне проводимости является одним из дефектов. Аналогично обстоит дело и в случае появления незанятого электроном квантового состояния (дырки) в валентной зоне.

§2.2. Нерелаксированные и релаксированные электронные возбуждения в щелочно-галоидчых кристаллах (10,12,17,19-31]

Как показано в §2.1, основными электронными возбуждениями в Щга являются стабильные возбуждения типа электронно-дырочных пар и низкоэнергетических анионных экситонов. Рассмотрим их возможные состояния и свойства.

При поглощении кристаллом кванта света достаточной энергии (

) совершается переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, возникает нерелаксированное электронное возбуждение - зонный электрон, свойства которого определяются в конечном итоге структурой .зоны проводимости. За время с. электрон, сильно взаимодействуя с колебаниями решетки (с фонона-ми), релаксирует, т.е. переходит в равновесное состояние. Движущийся электрон вызывает поляризацию своего непосредствонного окружения, т.е. относительное смещение положительных и отрицательных ионов решетки. Электрон, двигаясь по решетке, увлекает за собой состояние поляризации окружения. Электрон проводимости в ионном кристалле часто называют поляроном. Хотя поляронный эффект для электронов имеет место, тем не менее они мигрируют настолько быстро, что вызываемая ими инерционная поляризация окружающей кристаллической решетки не успевает развиться в такой степени, чтобы сильно замедлить движение электронов. Электроны остаются подвижными вплоть до; температуры жидкого гелия. Локализация электронов в регулярных узлах кристаллической решетки (самозахват, автолокализация) не обнаружена. Как нерелаксированное так и релаксированное (поляронное) состояния электрона являются состояниями зонного типа. Это не означает, конечно, что свойства "горячих" электронов, имеющих энергию в несколько элокт-ронвольт, не могут отличаться от свойств тепловых электронов. Горячий электрон в ЩГК может иметь весьма интересные свойства, учитываемые, в частности, в теориях электрического пробоя ЦГК, а в последнее время и в люминесцентных явлениях (см.: ра], с.7). Поскольку различия в свойствах релаксированного и нерелаксирован-ного состояний электрона выражены слабо, они изучены пока значительно 'хуже, чем соответствующие различия для дырок и экситонов ([20],c.37).