Электронные центры окраски в кристаллах LiF облученных ионами аргона

А.В.Русакова², А.К.Мухышбаева¹, Б.З.Абдукадиров¹, З.М.Кидиралиева¹, И.Н.Нышанбаева³, А.С.Муханова⁴

Электронные центры окраски в кристаллах LiF облученных ионами аргона

(¹ Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева,г.Астана, Казахстан) (² Филиал ИЯФ НЯЦ РК, г. Астана, Казахстан)

(³ Южно-Казахстанский государственный педагогический институт, Казахстан) (⁴ Актюбинский государственный университет им. А. Жубанова, г.Актюбинск, Казахстан)

Кристаллы LiF были облучены при комнатной температуре ионами ⁴⁰Ar⁺⁶ с энергией 56МэВ на циклотронном ускорителе DC- 60 (Астана). Флюенс изменялся в диапазоне 8×10¹² до 2×10¹² ионов/см² с плотностью ионного тока 25нA/см²(соответствующая интенсивность ионного потока - флюкс ϕ= 2.6×10¹⁹ ионов/(см²×c)). Основные электронные центры окраски исследовались методами оптической абсорбционной спектроскопии, термостимулированной люминесценции. Исследование нанодефектов было проведено на сколе протравленных кристаллов с помощью атомно- силовой микроскопии. Эффективность создания одиночных F центров при высоких флюенсах уменьшается из-за значительных рекомбинационных потерь первичных пар Френкеля и процессов агрегации вследствие перекрывания треков.

Введение

Долгое время кристаллы LiF использовались в качестве оптических окон для УФ-и ВУФ- областей спектра, и на сегодняшний день LiF используется как стандартный персональный термолюминесцентный дозиметр для γ-лучей, электронов и тепловых нейтронов. Поэтому исследование электронно-дырочных и экситонных процессов, ответственных за хранение поглощенной энергии излучения имеют большое научное значение [1].

В щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК), структурные повреждения вызванные облучением быстрыми ионами похоже на обычное облучение рентгеновскими лучами или быстрыми электронами и возникают в результате экситонного механизма [2]. В щелочно-галоидных кристаллах, в частности LiF, создание дефектов по экситонному механизму является гораздо более эффективным, чем ударный механизм [1]. При распаде автолокализованных экситонов, созданные пары Френкеля состоят из анионной вакансии с захваченным электроном (F- центр) и молекулярного иона галоида вида X₂⁻ в регулярной решетке (H центр). Дальнейшие трансформации этих дефектов зависят от температуры, облучения и дозы. В частности, при комнатной температуре F-центры являются стабильными, в то время как мобильные H центры превращаются в V3 центры [3,4]. V3 центр состоит из трех молекул галогенов (X₃)⁻ в анионной подрешетке с максимумом поглощения в ВУФ области спектра (114 нм) [4].

Радиационные дефекты в ЩГК при облучении тяжелыми ионами сильно зависят от потери энергии, температуры облучения и флюенса (дозы облучения). Облучение ионами с потерей энергии выше критического порога 6-10keV/нм, приводит к сложной структуре трека с наноразмерными агрегатами в центральной части трека (ядро) и центров окраски в больших цилиндрических зонах в несколько десятков нанометров [5-7]. При более высоких флюенсах, где соседние треки перекрываются, создаются более сложные дефекты и агрегаты дефектов (металлические коллоиды, галогенные молекулярные кластеры). Есть несколько исследований по созданию дефекта в кристаллах LiF , облученных ионами криптона, вдоль ионного тока после травления [7].

Учитывая прежние результаты [5-10] создание центров окраски в кристаллах LiF , облученных ионами аргона главной целью нашего исследования является изучение создания одиночных и сложных F центров при облучении с энергией 56 МэВ ионами аргона при высоких флюенсах.

Экспериментальная методика

Для экспериментов использовались высококачественные кристаллы LiF, выращенные в вакууме (ГОИ, Санкт-Петербург, Россия). Пластинки 10 × 10 мм² и с толщиной приблизительно 1 мм были облучены при комнатной температуре нормально к одной из плоскостей (100) ионами ⁴⁰Ar с энергией 56 МэВ (длина пробега R = 12.21µm) на циклотронном ускорителе DC-60 (Астана). Флюенс изменялся в диапазоне от 8 ×10¹² до 2×10¹² ионов/см². Соответствующая интенсивность ионного потока (ϕ) определялась по формуле: ϕ= 6.24×10⁹×i_ion/q [ионов/(см²×c), где i_ion - плотность ионного тока [нА/см²], и q - заряд иона и составила 2.6×10¹⁹ ионов/(см²×c).

Радиационные параметры в кристаллах LiF, облученных ионами аргона представлены в (табл. 1). Для ионов 56МэВ Аr потери энергии в основном связаны с электронными возбуждениями и ядерными потерями энергии можно пренебречь[6,11].

Таблица 1.- Радиационные параметры кристалла LiF облученного ионами аргона

Экспериментальные результаты и обсуждение

Оптические измерения были выполнены на спектрофотометре CФ-103 в спектральном диапазоне 200 - 1000 нм. В спектре поглощения доминируют F и F₂ центров, с максимумом поглощения при 4,94 эВ (250 нм) и 2,79 эВ (445 нм), соответственно[6]. Концентрация F и F₂ центров (см⁻²) была оценена с помощью формулы Смакулы - Декстера[5,6]:

Рисунок 1- Спектры поглощения кристаллов LiF, облученных ионами аргона 56МэВ, Т=300К

nF = 9,48×10¹⁵×D(F) (1)

n_F2= 4,42×10¹⁵×D(F2) (2)

где D(F) и D(F2) - оптическая плотность в максимумах поглощения F и F2 центров соответственно. Средняя объемная концентрация может быть оценена, делением n_F и n_F2 на длину пробега, то есть. N_F =n_F/R и N_F2 =n_F2/R. Среднее расстояние между треков иона (dtr = 2r) в кристаллах LiF оценивалась по dtr = 2(π)^−1/2 [6].

Рисунок 2- Зависимость объемной концентрации (см⁻3) F и F2 центров от флюенса в кристаллах LiF, облученных ионами аргона (см. Рис. 1).

На рисунке 1 представлены спектры поглощения LiF облученного ионами Аr. Полосы поглощения F центров (4,94 эВ) доминирует во всех спектров. При более высоких флюенсах создаются сложные центры Fn : F3 (с максимумами поглощения при 3,91 и 3,28 эВ) и F₄ (с максимумами поглощения при 2,39 и 2,30 эВ). Концентрация этих центров нелинейно возрастает с флюенсом (рис. 2). Основные параметры F и F₂ центров в облученных кристаллах LiF , представлены в таблице 2. Есть также данные о концентрации одиночных F центров по треку (n^s) и средняя энергия для создания F-центров (∆E_F), где (n^s) и (∆E_F), оценены в работе [6]:

n^s = n_F

φ (3)

∆E_F = E_ion×

n^s (4)

На рисунке 2 показана, эволюция n_F в зависимости от ионного флюенса. Концентрация F - центров в начальной стадии линейно растет и достигает насыщения при флюенсе φ ≈ 10¹² ион/см² и при более высоких флюенсах уменьшается. Снижение nF сопровождается увеличением концентрации F_n центров. Поэтому мы использовали интегральное поглощение в качестве параметра для определения концентрации всех Fn центров (n = 2, 3, 4) [6]. Интегральное поглощение (то есть, площадь под кривой поглощения) в спектральном диапазоне от 4 до 2 эВ (рис. 1). При флюенсе около φ = 10¹² ионов/см² имеет место насыщения как для одиночных F центров так и для сложных Fn центров (таб. 2). При более высоких флюенсах снижение nF сопровождаемая сильным увеличением концентрации сложных F_n центров (рис. 2).

Таблица 2.Основные параметры центров окраски в кристаллах LiF, облученных ионами аргона

В зависимости n_F =f(φ), можно оценить радиус трека вокруг ионной пути по работе [2]:

n_F =n_{F s}(1−exp(−πr²_Fφ)) (5)

здесь rF - радиус цилиндрической области, где одиночные F центры являются доминирующими. Модель предполагает, что при r < r_F доминируют одиночные F центры, в то время когда r > r_F доминируют сложные F_n центры и агрегатные F центры [7]. Когда два соседние треки перекрываются (r < rF), одиночные центры F становятся незначительными.

С помощью n_F =f(φ) (рис 2) и из уравнения (5) можно определить радиус r_F = 11,4. На графике зависимости F центров от флюенса в кристаллах LiF облученные ионами Аr с энергией 56 МэВ имеется линейная область (рис.2). При более высоких флюенсах насыщением одиночных F центров при φ ≈ 10¹² ион/² зависимость n_F = f(φ) становится нелинейной (рис.2). При флюенсе 10¹²ион/см² среднее расстояние между ионными треками dtr составляет 6,28мкм и оно сравнимо с радиусом трека r_F = 11,4 нм который показывает перекрывания треков. При перекрытии треков увеличение концентрации F_n центров происходит быстрее, чем в начальной стадии φ < 10¹² ион/см². Увеличение Fn

центров после насыщения одиночных F центров хорошо согласуется с теорией агрегации процессов в ЩГК[3]. Такие процессы происходят при объемной концентрации одиночных F центров около 10¹⁹ см³. При такой высокой объемной концентрации одиночные F центры взаимодействуют с образованием более сложных дефектов (Fn центры, агрегатные центры (n_F), коллоиды Li) [3]. В наших экспериментах насыщение флюенса объемной концентрации N =nF/R≈1.4×10¹⁹ см⁻³ согласуется с теорией.

При высоких флюенсах, имеет место соединения F центров на агрегаты и сильное увеличение концентрации F_n центров, а также первичные H центры могут образовывать галоидные молекулы и их агрегатов. Такая агрегация наблюдалась в кристаллах LiF облученных ионами Au с низкой энергией[4]. Мы полагаем, что подобная коагуляция H- центров имеет место и в кристаллах LiF облученных ионами Аr до высоких флюенсов[4].

Параметры центров окраски (nF, nF2, n^s и ∆EF) (табл. 2) соответствуют с предыдущими результатами [2,5,6]. С увеличением плотности энергии количество одиночных F центров на трек (n^s) уменьшается, а средняя энергия для создания F-центров (∆E_F) возрастает. Это свидетельствует, что во время ионного облучения при более высоких флюенсах происходит значительные рекомбинационные потери (аннигиляция первичных пар Френкеля).

На рисунке 3 приведен спектр термостимулированой люминесценции кристаллов фторида лития облученного ионами аргона, здесь удалось расколоть кристалл на две части, причем

верхняя половина имела толщину соответствующую длине пробега иона аргона. Мы видим, что спектры ТСЛ для верхней, где содержатся треки, существенно отличается от спектра ТСЛ нижней части, где отсутствуют треки. ТСЛ нижней части наблюдается при низких температурах, что скорее всего свидетельствует о достаточно низкой концентрации в этой части агрегатных центров окраски. Анализ интегрального термического отжига

Рисунок 3-Спектр ТСЛ для кристалла LiF облученного ионами аргона до флюенса 2×10¹¹ ионов/см² при 300К

Рисунок 4- Спектры поглощения кристаллов LiF, облученных ионами аргона до флюенса 5×10¹¹ ионов/см² при 200К, после термического отжига

Приведенного на рисунке 4 показывает что до 550К идет отжиг в основном F центров и более сложные центры также уменьшаются, но не столь быстро, что свидетельствует о идущем процессе термической агрегации [9]. При более высоких температурах отжига мы видим, что в спектре остаются центры которые по видимому соответствуют поглощению металлических коллоидов [11], что с очевидностью подтверждает тот факт что агрегатные центры формируются в трековой области.

Зоны повреждения вдоль трека иона в наших образцах LiF исследованы с AСМ.

Рисунок 5- Изображение протравленной поверхности LiF облученного ионами аргона Ar (10×10µm)

ЛИТЕРАТУРА

1. N.Itoh, D.M.Duffy, S.Khabakshouri, A.M.Stoneham, J.Phys: Condens. Matter 21, 474205 (2009).

2. K.Schwartz, C.Trautmann, R.Neumann, Nucl.Instr. Meth. B 209, 73(2003).

3. A.Dauletbekova, A.Akilbekov, M.Zdorovets, Phys. Status Solidi B 247, 1227 (2010).

4. A.Dauletbekova, A.Akilbekov, M.Zdorovets, A.F.Vasil’eva, D.A,Akilbekova, Nucl.Instr. Meth.

B 268, 3005-3008 (2010)

5. K.Schwartz, C.Trautmamm, A.S.El-Said, R.Neumann, M.Toulemonde, W.Knolle, Phys.Rev.

B 70, 184104 (2004).

6. A.K.Dauletbekova, A.T.Akilbekov, M.V.Zdorovets, A.A.Abdrakhmetova, Kr and Xe ion in- duced aggregation processes in LiF crystals during irradiation and thermal annealing, MaterialsS- cience and Engineering 15 (2010) 012031doi:10.1088/1757-899X/15/1/012031

7. P.Dorenbos, C.W.E. van Eijk, A.J.J.Bosetal. Luminescence (1994)

8. Dauletbekova, A.Akilbekov, M.Zdorovets Electron color center creation in LiF irradiated with Kr ions, Phys.Status Solidi B 247, N5, 1227-1229 (2010) DOI 10.1002/pssb200945362

Русакова А.В.,Мухышбаева А.К.,Абдукадиров Б.З.,Кидиралиева З.М.,Нышанбаева И.Н.,Муханова А.С.

Аргон ионымен сәулелендiрiлген фторлы литий кристалындағы электрондық бояу орталықтары

Үсынылып отырған мақалада энергиясы 56МэВ болатын аргон ионымен сәулелендiрiлген фторлы литий кристалында пайда болатын электрондық бояу орталықтарына талдау жасалынды. Электрондық бояу орталықтары абсорбциондық спектроскопия, термоқүлшындырылған люминесценция әдiстерiмен зерттелiп, нәтижесiнде флюенс үлғайған сайын,F- орталықтардың пайда болу эффективтiлiгi төмендейтiндiгi анықталды. Атомдық-күштiк микроскоптың көмегiмен зерттегенде, кристалды сәулелендiргеннен кейiн дислокациялардың ғана байқалатындығы анықталды.

Rusakova A.V., Muhyshbaeva A.K., Abdukadirov B.Z., Kidiralieva Z.M., Nyshanbaeva I.N., Muhanova A.S.

Electron color center creation in LiF irradiated with Ar

First irradiation experiments on the cyclotron ion accelerator DC-60 are presented. LiF crystals were irradiated with 56 MeV Ar⁺⁴⁰ ions in the fluence (F) range 8×10¹²−2×10¹² ions/cm² at a beam current 25 nA/cm² (corresponding to a flux 2,6×10¹⁹ ions/cm²s). The main electron micro-defects (F-type color centers) were studied by absorption spectroscopy