Физика /2. Физика твердого тела

К.ф.-м.н. Балтабеков А.С., Кыздарбекова Ш.С., д ф.-м.н. Ким Л.М.

Карагандинский государственный университет им.Е.А.Букетова, Казахстан

Влияние ионов редкоземельных элементов на накопление радиационных дефектов в кристаллах KDP

Кристаллы KDP (дигидрофосфат калия, KH₂PO₄) обладают нелинейными оптическими свойствами. Их способность генерации высоких гармоник широко используется в оптическом приборостроении. Известно [1], что при генерации излучения или при облучении кристаллов KDP излучением с длиной волны меньше 180 нм, они окрашиваются. Появление наведенных полос оптического поглощения связывается с образованием дефектов кристаллической структуры. В настоящее время в этом соеденении установлены следующие радиационные дефекты: А – и В – радикалы, ионы PO₃^2- и межузельные атомы водорода [1-3]. В - радикалы представляют собой автолокализованные дырки, А – радикалы является также дырочными центрами, но с водородной вакансией. Анализ литературных данных показывает, что радиационные процессы в кристаллах KDP с примесью различных ионов исследованы недостаточно.

Целью данной работы являются изучение влияния трехвалентных ионов самария и гадалиния на накопления радиационных дефектов в исходных кристаллах.

Кристаллы KDP были выращены из насыщенных водных растворов методом изотермического ускорения растворителя при 40^оС. Для активации кристаллов в исходный раствор добавлялись соли SmCl₃ или GdCl_3.

При таком способе активации примесные ионы хлора входят в кристаллическую решетку KDP. Известно [4], что примесные ионы хлора не приводят появлению полос оптического поглощения, и на кривой термостимулированные люминесценции (ТСЛ) новых пиков рекомбинационного свечения. В исходный раствор мы добавляли 0,1 моль% солей активаторов. Однако они оказали существенное влияние на рост кристаллов KDP. Мы получили только мелкокристаллические образцы.

На рисунке 1 представлено типичная кривая ТСЛ для KDP–Sm. Образец при температуре 80К облучался рентгеновскими лучами. Доза облучения определялись с помощью ферросульфатного дозиметра Фрике [5]. В неактивированных кристаллов KDP на кривой ТСЛ наблюдается три пика рекомбинационной люменесценции. Их максимумы находятся при 180К и 290К, в области 110-130К имеется еще один пик с очень маленькой светосуммой [4]. Следовательно, введение ионов сомария приводит появлению нового пика рекомбенационного свечения при 140К и 220К. Наблюдается существенное изменение распределения светосумм по пикам ТСЛ матрицы. В области 110-130К наблюдается пик с максимумом при 125К, который имеет аномально резкое возратание интенсивности свечения. Температурное положение этой аномалии совпадает с температурой полиморфного фазового перехода сегнетоэлектрик – пароэлектрик. Данный фазовый переход связывается с перестройкой водородный подсистемный KDP. Из вида формы первого пика можно заявить, что такая перестройка кристаллической решетки приводит к уменьшению энергии активации рекомбинационного процесса. В работе [6] показано, что в области 110-130К имеет место термическая активация миграции автолокализованных дырок (В-радикалов). Новый пик на кривой ТСЛ при 140К был выделен явно изотермическим отжигом предварительно обученного образца при 120К.

Аналогичный результат был получен для образцов KDP–Gd. При облучении данного образца рентгеновским излучением при 80К наблюдались новые пики свечения с максимумом при 140К и 260К. Мы измерили спектральный состав пика ТСЛ с максимумом при 140К. Спектральный состав рекомбинационной люминесценции для образцов, активированных ионами самария и гадолиния состоят из трех полос излучения с максимумами при 3,6эВ, 4,75эВ и 4,2эВ или 4,6эВ, соответственно. Полосы излучения при 3,6эВ и 4,75эВ характерны для рекомбинационной люминесценции в области 110-130К чистых кристаллов KDP. Таким образом примесные ионы самария или гадалиния в данном температурном диапазоне приводит появлению новой полосы излучения 4,2эВ или 4,6эВ. Совпадение спектрального состава излучения для чистых и активированных кристаллов позволяет утверждать, что новый пик ТСЛ при 140К связан с влиянием примесных ионов на энергию активации миграции В-радикалов. Повышение уровня термической стабильности у автолокализованных дырок наблюдалось ранее для кристаллов KDP – Cu²⁺ [7]. Следовательно, можно предположить, что примесные ионы Sm³⁺ и Gd³⁺ является ловушками для электронов. При термической активации движения дырок эти наведенные радиацией дефекты становится центрами рекомбинации, что приводит к появлению новых полос излучения.

Спектральные составы пиков ТСЛ при 220К и 260К состоят из одиночной полосы излучения с максимумом при 3,5эВ. Она полностью аналогична спектральному составу излучения в пике ТСЛ матрицы при 190К. Известно, что этот пик ТСЛ связан с распадом А-радикалов [8]. Механизм рекомбинации – электронный. Приведенные нами результаты позволяют утверждать, что в пике ТСЛ с максимумами при 220К или 260К связаны с термической ионизацией наведенных радиацией примесных ионов Me²⁺ (ион металла). Образовавшийся электрон рекомбинирует с дырочными центрами (А-радикалами).

Если примесные ионы самария или гадолиния являются центрами локализации электронов, это должно сказываться на накопления дырочных дефектов матрицы. На рисунке 2 приведены зависимости накопления светосуммы в пике ТСЛ при 180К.

Из рисунка видно, что примесные ионы увеличивают скорость накопления дырочных А-радикалов. Это согласуется с тем, что в активированных кристаллах появляются новые каналы для стока свободных электронов. В этом случае увеличивается вероятность накопления дырочных дефектов.

Таким образом, примесные редкоземельные ионы самария и гадолиния являются ловушками для электронов. В области 140К радиационно– наведенные примесные дефекты типа Ме²⁺ являются центрами рекомбинации, а в области 220К или 260К – донорами электронов. Кроме того примесные ионы повышают уровень термической стабильности у части В-радикалов. Необходимо заметить, что ионы самария более эфективно захватывают электроны.

Литература:

1 Chirila M. M., Garces N. Y., Halliburton L. E., Demos S. G., Land T. A., Radousky H. B. Production and thermal decay of radiation-induced point defects in KD₂PO₄ crystals// J. Appl. Phys. – 2003. - Vol.94, № 10.- P. 6456-6462.

2 Setzler S.D., Stevens K.T., Hallibirton L.E., Yan M., Zaiseva N.P., De Yoreo J.J. Self-trapped hole centers in KH₂PO₄ //Phys. Rev. B.- 1998.- Vol.57, № 5. – P. 2643-2647.

3 McMillan J.A., Clemens J.M. EPR study γ-irradiated crystals KDP// Chem. Phys. – 1978. – Vol.68, №8. – Р.3627-3632.

4 Kim L.M, Tagaeva B.S. Optical properties the KDP crystals doped by tallium ions// Eurasian physical technical journal. 2007. - С.37-39.

5 Штольц В., Бернхардт Р. Дозиметрия ионизирующих излучений. – Рига: Зинатне, 1982. – 142с.

6 Тагаева Б.С., Кукетаев Т.А. Свойства примесных центров люминесценции в кристаллах КН₂РО₄ //Вестник КарГУ. Серия Физика. 2008. -№2. -С.22-25.

7 Kim L.M, Tagaeva B.S. Influence of copper ions on recombinational processes in KDP // Eurasian physical technical journal. 2009. - С.11-15.

8 Ким Л.М., Тагаева Б.С. Радиационно-наведенные полосы поглощения в кристаллах KDP//Вестник КарГУ. Серия Физика. -2008. - №4.- С.21-26.