Физика/2. Физика твердого тела

д.ф.-м.н. Кукетаев Т.А., д.ф.-м.н. Ким Л.М., Капиятов Б.А.,

к.ф.-м.н. Тагаева Б.С

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

Примесные центры люминесценции в кристаллах KDP-Tl

Кристалы дигидрофосфата калия (KH₂PO₄) или KDP обладают нелинейными оптическими свойствами, которые широко применяются для преобразования лазерного излучения. В настоящее время технология получение крупных и достаточно совершенных монокристаллов хорошо отработано.Это позволяет ставить вопросы о расширении области применения этого соединения. В работе [1] установлено что KDP-Tl является перспективным сцинтиллятором. Однако спектроскопия активированных различными примесными ионами кристаллов дигидрофосфата калия изучена недостаточно.

Цель данной работы- установить возможность применение разработанных модельных приставлении для одновалентных ионов талия в кристаллической решетке KDP.

Ионы талия хорошо изучены в щелочно-галоидных кристаллах, в сульфатах щелочных металлов [2,3]. Показано, что в этих соединениях для данного примесного центра применимо модель Зейтца, по которой электронно-колебательным переходам в примесном центре люминесценции сопоставляются электронные переходы в свободном ионе.

При комнатной температуре в кристаллах KDP-Tl в области прозрачности матрицы наблюдаются две полосы оптического поглощения с максимумами при 5.36 эВ и 6.02 эВ. Облучение кристаллов в области примесного поглощения приводит к наблюдению люминесценции. На рисунке 1 приведены спектры возбуждения и излучения фотолюминесценции, измеренные при 80К. Из рисунка видно, что у изучаемого образца наблюдается одна полоса фотолюминесценции, которая достаточно эффективно возбуждается в обоих полосах примесного поглощения. Максимум излучения при температуре жидкого азота находится при 4.51 эВ и при комнатной температуре 4.43 эВ, т.е.
происходит типичное «красное» температурное смещение положения оптических полос.

Наличие одной полосы в спектре излучения показывает, что ионы одновалентного таллия в кристаллах KH₂PO₄ образуют центры свечения одной природы. Это возможно, если ионы таллия замещают катионы селективно (в решетке KDP имеются два неэквивалентных катионных узла, различающиеся по водородному окружению), либо они не чувствительны к вариации водородного окружения.

Ионы одновалентного таллия относятся к группе ртутеподобных, т.е. с энергетической структурой, образованной 2s-электронами. В спектрах возбуждения фотолюминесценции, максимумы которых приходятся на 5.64 эВ и 6.08 эВ, при температуре жидкого азота проявляется неэлементарность данных оптических полос. При комнатной температуре наличие структуры в оптических полосах в спектре возбуждения фотолюминесценции не проявляется. Это связано с температурным уширением оптических полос и недостаточностью разрешения использованных оптических приборов.

Неэлементарность оптических полос в спектре возбуждения позволяет их связать с А- и В-полосами, которые обусловлены частично запрещенными электронными переходами – из основного синглетного электронного состояния в возбужденные триплетные состояния. Известно [2], что у ионов таллия имеются три наиболее низколежащих электронных перехода. Их принято в литературе обозначать как А-, В- и С- полосы. В кристаллических полях низкой симметрии, к каковым относится и решетка KDP, наблюдается полное или частичное снятие вырождения возбужденных триплетных состояний. Это проявляется как неэлементарность в А- и В-полосах одновалентных ионов таллия, что наблюдается, например, в сульфатах щелочных металлов [3]. В кристаллах кубической сингонии проявление сложной структуры у А- и В-полос обнаружено, например, в ЩГК [2]. В этих высокосимметричных кристаллических решетках снятие вырождения у соответствующих электронных состояний происходит из-за взаимодействия с неполносимметричными колебаниями (динамический эффект Яна-Теллера) [2].

Неэлементарность оптических полос, возбуждение в них одной и той же люминесценции позволяют утверждать, что в кристаллах KDP ионы таллия образуют примесные центры люминесценции одной природы и наблюдаемые оптические полосы в спектрах поглощения или возбуждения связаны с А- и В-переходами.

Таким образом, для ионов талия решетки KDP применима модель Зейтца. Установлено, что полосы излучение описываются гауссовыми кривыми. Значительное отклонение от гауссовой формой у этих полос наблюдается на уровне 1/20 от максимальной интенсивности, где уже значителен вклад шумов и регистрирующей системы. Это показывает применимость гармонического приближения. В этом случае ширина оптической полосы на полувысоте описывается формулой [4]: . Измерениями спектров излучения при двух разных температурах была оценена энергия фононов, актуальных в электрон-фононном взаимодействии при внутрицентровых электронных переходах. Зная величину стоксовых потерь и энергию фононов, мы определили параметр Хуанга- Риса. Для ионов одновалентного таллия он составляет 60-65. Данный параметр характеризует не только электрон-фононную связь, но и степень локализации волновой функции. Такие значения параметра Хуанга-Риса характерны для примесных центров люминесценции малого радиуса [4].

Таким образом результаты исследования показывают применимость для ионов одновалентного талия существующих модельных представлении для примесных центров свечения, разработанных при исследовании галоидов щелочных металлов.

Литература:

1 Воронов А.П., Выдай Ю.Т., Сало В.И., Бондаренко С.И. Кристаллы KDP-ADP легированные таллием для регистрации ионизирующих излучений// Тезисы конф. 12-ой национальной конференции по росту кристаллов. - Москва, 2006.- 156с.

2 Алукер Э.Д., Лусис Д.Ю., Чернов А.С. Электронные возбуждения и радио-люминесценция щелочно-галоидных кристаллов. – Рига: Зинатне, 1979. – 252 с.

3 Сагындыкова Г.Е. Оптические и радиационные свойства кристаллов LiKSO₄, активированных ртутеподобными ионами: автореф. …. канд. ф.м.-наук:.01.04.07. – Караганда: КарГУ, 2004. – 21с.

4 Кристофель Н.Н. Теория примесных центров малых радиусов в ионных кристаллах. – Москва, СССР, 1974. – 336 с.