Т.Н. Нурахметов, Ж. Р. Азмаганбетова, Р. К. Рамазанова, Б. Тажигулов, Б. Юсупбекова
Т.Н. Нурахметов, Ж. Р. Азмаганбетова, Р. К. Рамазанова, Б. Тажигулов, Б. Юсупбекова
Природа термолюминесценции в облученных сульфатах щелочно-земельных металлов
(Евразийский Национальный университет имени Л. Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан)
Методом термоактивационной спектроскопии была исследована собственная и примесная люминесценция в облученных кристаллах CaSO4 в температурной области от 5 - 300 К.
Термостимулированная люминесценция (ТСЛ) всегда связывалась с делокализацией электронов и дырок с электронных или дырочных центров захватов во время нагревании кристаллов, облученных при низких температурах. Делокализованные электроны или дырки при рекомбинации с дырочными и электронными центрами захватов испускают фотоны определенной энергии. В другом процессе, энергия рекомбинационного излучения передается примесным центрам свечения. Энергетический спектр излучения определяется энергетической щелью между центрами захватов или энергетическими уровнями примесных центров излучения, где осуществляются электронные переходы.
Рисунок 1 - Спектры ТСЛ фосфора CaSO4 для излучения 3,8 эВ (1); 4,3 эВ (2); 2,9 эВ (3) и 2,7 эВ (4) облученного электронами 5 кэВ при 6 К
59
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2011, №6
Таким образом, термолюминесценция, возникающая в облученных кристаллах связана с появлением электронных и дырочных центров захватов, т. е. с рождением радиационных дефектов. В зависимости от температуры облучения, содержания специально введенных примесей, энергии и вида облучения могут быть различны и механизмы создания центров захватов: - в большинстве чистых ионных кристаллов дырки, создающиеся после облучения автолокализуются, а электроны захватываются примесями или другими неконтролируемыми дефектами решетки. В этом процессе должны образовываться электронные и дырочные центры захватов, концентрация которых определяется количеством дорадиационных дефектов и примесей. Данный процесс не является фундаментальным. - в другом процессе, в результате облучения возникают собственные дефекты решетки - междоузельные ионы и вакансии захватившие электрон, так называемые F-подобные центры. Эти дефекты создаются при распаде собственных электронных возбуждений - экситонов и электронно-дырочных пар.
Одним из методов обнаружения таких электронных и дырочных центров захватов является термостимулированная люминесценция, измерение спектров создания и спектрального состава пиков ТСЛ.
В настоящей работе методами ТСЛ и ВУФ спектроскопии исследованы дефектообразование в кристаллах CaSO4, облученных при низких температурах от 5 К до 300 К. Кристаллы облучались электронным пучком и рентгеновским излучением при различных температурах.
Измерения проводились стандартными методами термоактивационной и ВУФ спектроскопии.
Рисунок 2 - Спектры ТСЛ фосфоров облученных электронами 5 кэВ при 6 К:
• CaSO4 для излучения 3,8 эВ (1), 2,9 эВ (2), 4,3 эВ (2 ) и 2,7 эВ (2 )
• CaSO4:T b3+ (1%), N a+ для излучения 2,27 эВ (3)
• CaSO4:Gd3+ (2%), N a+ для излучения 4 эВ (4)
• CaSO4:M n2+ (0,3%) для излучения 2,57 эВ (5)
60
Т.Н. Нурахметов, Ж. Р. Азмаганбетова, Р. К. Рамазанова, Б. Тажигулов, Б. Юсупбекова
На рисунке 1 приведены спектры ТСЛ фосфора CaSO4 для излучении 3,8 эВ(1), 4,3 эВ(2), 2,9 эВ(3) и 2,7 эВ(4), облученного электроным пучком 5 кэВ при 6 К.
Из рисунка 1 видно, что в чистом кристалле CaSO4 после облучения появляется основной пик ТСЛ при 50 К и слабые пики ТСЛ при 110 К, 150-200 К, 350-400 К. Спектральный состав основного пика ТСЛ лежит в двух областях:
1. в области 3,8 эВ и 4,7 эВ, в котором должны проявляться излучения, возникающие при рекомбинации электронов с автолокализованными дырками, расположенных в различных кристаллографических направлениях.
2. излучение в спектральной области 2,7 эВ и 2,9 эВ характерно дырочно - электронным рекомбинационным процессам, т. е. аналогичные излучения должны возникать при электронных переходах в коррелированных электронно-дырочных центрах захватов.
На рисунке 2 показаны спектры ТСЛ фосфоров, облученных электронным пучком 5 кэВ при 6 К. Для сравнения приведены спектры ТСЛ облученного чистого кристаллофосфора CaSO4. Из рисунка 2 (кривая 3) видно, что излучение примеси T b3+ (2,27 эВ) в CaSO4 разгорается при 50 К, 250 К, 310 К, 380 К, излучение примеси Gd3+ (4,0 эВ) разгорается при 50 К, 110 К, 160 К, а излучение примеси M n2+ (2,57 эВ) в CaSO4 при 45 К, 50 К и 360 К.
Общеизвестно, что появление свечения во время изотермического нагрева связано с делокализацией электронов или дырок из электронно-дырочных центров захватов.
В чистых кристаллах CaSO4 и в кристаллах с примесями редкоземельных ионов, электронно-дырочные центры захватов, т. е. радиационные дефекты возникают при одинаковых механизмах. Специально введенные примеси могут стимулировать или подавлять дефектообразование. В данном случае примеси T b3+, Gd3+ и M n2+ является центрами излучения для кристаллофосфора CaSO4 и практическое применение их связано с присутствием этих примесей.
Дефекты в кристалле CaSO4 как и в кристаллах K2SO4 и N a2SO4 [1] могут создаваться двумя механизмами:
- электроны возникающие во время облучения могут захватиться анионными комплексами по реакции [2]:
e−+SO42−→SO43− (1) дырки автолокализуются в виде SO−4 ; при этом образуются электронные SO3−4 и дырочные SO−4 - центры захватов в ненарушенных местах решетки или возле соответствующих примесей.
- собственные электронные возбуждения, возникающие во время облучения в сульфатах щелочно-земельных металлов могут распадаться с образованием междоузельных атомов кислорода и вакансии, в частности кристалле SO4 электронно-дырочные центры захватов могут возникать при распаде возбужденных анионных комплексов по реакции:
(SO42−)∗ →SO−3υa+e−+O0, (2) SO3− υa+ e− - электронные центры захвата; O0 - центры должны стабилизироваться по реакции
O0+O0 →O30;SO42−+O20→SO−3 −O3−. (3) В результате распада возбужденного анионного комплекса возникают электронные SO−3 υ+a e− - центры и дырочные SO3− - −3 центры.
Таким образом, в облученных кристаллах CaSO4 должны возникать коррелированные электронно-дырочные центры окраски двух видов. Прямым доказательством существования
61
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2011, №6
коррелированных электронно-дырочных центров захватов является появление фосфоресценции в облученных CaSO4 с примесями редкоземельных ионов.
Механизмы фосфоресценции обсуждались в наших предыдущих работах[3], электроны туннелируют в состояния с последующей рекомбинацией с дыркой захваченной основным состоянием редкоземельного иона. Энергия рекомбинационного процесса возбуждает примесный ион и на следующем этапе наблюдается излучение примесей.
Мы предполагаем, что разгорание излучении в температурных областях 110 К и 160 К в CaSO4 − Gd, в областях 250 К, 300 К в CaSO4 − T b вероятно связано с термической активизацией туннельного перехода во время полиморфных переходов (переориентации анионного комплекса SO2−4 ).
Низкотемпературный пик ТСЛ при 45 К и 50 К связывается с делокализацией электронов от слабосвязанных электронных центров окраски SO3−4 матрицы.
В заключение отметим, что термостимулированная люминесценция предварительно облученного кристалла CaSO4 связана с туннелированием электронов с электронных центров окраски во время полиморфного перехода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нурахметов Т. Н. Электронные возбуждения и радиационные дефекты в гранецентрированных ЩГК и сульфатах щелочных и щелочноземельных металлов:
Диссертация док. физ. - мат. наук.: 01.04.07. - Алматы.: ФТИ, 2001.
2. I. R. Byberg/ J. Chem. Phys. 84, 11, 6083-6085 (1986).
3. Нурахметов Т. Н., Жунусбеков А. М., Салиходжа Ж. М., Кайнарбаев А. Ж., Темиркулова Н. И., Жанботин А., Карипбаев Ж., Кумарбеков К. // Рекомбинационная люминесценция в облученных сульфатах щелочных и щелочноземельных металлов. Вестник.
Евразийский национальный университет имени Л. Н. Гумилева - 2010. - №4(77). - С. 15-20.
Нурахметов Т.Н., Азмаганбетова Ж. Р., Рамазанова Р. К., Тажигулов Б., Юсупбекова Б.
Сәулеленген сiлтiлi металдар сульфаттарының термолюминесценция табиғаты
Термоқүлшынды әдiспен 5 - 300 К температуралық аймақта сәулеленген CaSO4 кристалдарының өзiндiк жану және қоспалы люминесценциясы зерттелдi.
Nurahmetov T.N., Azmaganbetova Zh. R., Ramazanova R.K., Tazhigulov B., Ysupbekova B.
The Nature of thermoluminescence in Irradiated Sulphates of Alkaline Earth Metals
Intrinsic and impurity luminescence in irradiated crystals of CaSO4 in temperature range from 5 K to 300 K have been researched by the method of thermoactivated spectroscopy.
Поступила в редакцию 12.05.11 Рекомендована к печати 30.05.11
62
