Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Національна академія наукУкраїни
Донецький фізико-технічний інститут
ім. О.О. Галкіна
Гранкін Денис Вікторович
УДК 538.971:535.376
Іонолюмінесценція широкозонних твердих тіл
у метастабільному стані
01.04.07. –Фізика твердого тіла
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Донецьк –
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі фізики твердого тіла і фізичного матеріалознавства Донецького національного університету Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор
Бажин Анатолій Іванович,
завідувач кафедри фізики твердого тіла і
фізичного матеріалознавства Донецького
національного університету, м. Донецьк
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор
Фельдман Едуард Петрович,
провідний науковий співробітник Інституту фізики гірничих
процесів НАН України, м. Донецьк
доктор фізико-математичних наук, професор
КорнічГригорій Володимирович,
завідувач кафедри обчислювальної математики
Запорізького національного технічного
університету, м. Запоріжжя
Провідна установа: Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна
Міністерства освіти і науки України, проблемна
науково-дослідницька лабораторія іонних процесів,
м. Харків
Захист відбудеться 26.10.2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.01 при Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72
З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України (83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72).
Автореферат розісланий 25.09.2006 р.
Учений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 11.184.01
канд. фізико-математичних наук Т.М. Тарасенко
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. При взаємодії іонів з поверхнею твердого тіла протікають численні вторинно-емісійні явища, які несуть інформацію про процеси гальмування частинки і перенесення енергії, енергетичну структуру твердого тіла, про власні, домішкові і радіаційні дефекти.
Низькоенергетичні пучки іонів є складовою частиною засобів мікро- і нанотехнологій виробництва та контролю елементної бази електронних пристроїв, а саме, модифікації фізико-хімічних властивостей поверхні, напилювання багатошарових систем, аналізу поверхні, іонного перемішування і радіаційно-прискореної дифузії. Виявлення і дослідження елементарних актів взаємодії іонів з поверхнею твердого тіла і моделювання цих процесів є розрахунковою базою іонних мікро- і нанотехнологій. Оптичне випромінювання, яке супроводжує іонне бомбардування, забезпечує широкі можливості для дослідження поверхневих та приповерхневих явищ, що протікають при цьому. Тому дослідження іонолюмінесценції (ІЛ) і іонно-фотонної емісії (ІФЕ) в області низьких енергій іонів є актуальним. Це визначається також тим, що деякі закономірності і механізми ІЛ і ІФЕ в області малих значень енергії іонів мало вивчені, особливо для широкозонних твердих тіл.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до координаційного плану науково-дослідних робіт кафедри фізики твердого тіла і фізичного матеріалознавства Донецького національного університету “Фізичні процеси на поверхні твердих тіл і тонких плівок, розробка основ і створення аналітичної бази нанотехнологій”(наказ Міністерства освіти України від 31.03.1992 № 68), і темою “Розробка іоннопроменевої технології осадження захисних плівок і покриттів та дослідження їх властивостей” (наказ Міністерства освіти і науки України № 633 від 5.11.2002).
Мета і задачі дослідження.Метою даної дисертаційної роботи було визначення основних характеристик ІЛ широкозонних твердих тіл і ІФЕ в області низьких значень енергії іонів (~ 100 еВ) з урахуванням коливального збудження частинок на поверхні і в об'ємі іонним ударом та релаксації високозбуджених коливальних станів по електронному каналу, в тому числі за участю електронно-збуджених метастабільних станів в твердому тілі і за наявності адсорбованих частинок на поверхні.
Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:
–Розробити механізм ІЛ сполук AIIBVI в області низьких значень енергії іонів (5-200 еВ) у наближенні багатоквантового коливально-електронного переходу, в якому врахувати високоефективну акомодацію коливальної енергії по електронному каналу при наявності в твердому тілі мілких електронних пасток.
–Провести моделювання ІЛ, яка збуджується іонами низьких енергій цинк-кадмій-сульфідних кристалофосфорів, що мають мілкі електронні пастки, за наявності УФ і ІЧ збудження.
–Провести пошукові експерименти по виявленню в поведінці ІЛ ефекту високоефективної електронної акомодації (ВЕА) енергії високозбуджених коливальних станів, що генеруються іонним ударом на поверхні і в твердому тілі з системою мілких електронних пасток, що знаходиться в полі УФ випромінювання..
–Побудувати механізм збудження ІФЕ низькоенергетичними іонами в наближенні молекулярно-дисоціативної моделі, в якому врахувати процеси коливально-електронної релаксації коливально-збуджених станів, що генеруються іонним ударом, і провести дослідження ІФЕ при наявності УФ і ІЧ світла.
–Розробити механізм та дослідити іоностимульовану десорбцію адсорбованих атомів і молекул з поверхні цинк-кадмій-сульфідних зразків в області низьких значень енергії іонів (5-200 еВ), з урахуванням коливального збудження адсорбованих молекул іонним ударом і їх релаксації по електронному каналу.
Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі були одержані наступні нові результати:
Практичне значення отриманих результатів.В результаті проведених досліджень автором були встановлені деякі кількісні зв'язки ІЛ, ІФЕ та іоностимульованої десорбції з властивостями даних твердих тіл, у тому числі які знаходяться в полі випромінювання.
Врахування акомодації високозбуджених коливальних станів, що генеруються іонним ударом, по високоефективному електронному каналу, може використовуватися для уточнення швидкостей іонного перемішування, іоностимульованої десорбції і травлення твердих тіл низькоенергетичними іонами.
Електронне збудження ряду широкозонних твердих тіл УФ та ІЧ світлом може впливати на швидкість релаксації коливальних збуджень на поверхні; це вказує на можливість використання електронного каналу акомодації для управління швидкістю іонного травлення, іоностимульованої десорбції та інтенсивністю ІЛ і ІФЕ.
Особистий внесокздобувача. Вибір загального напрямку досліджень і формулювання задач на концептуальному рівні відбувалися в тісній співпраці з науковим керівником д. ф.-м. н., проф. Бажиним А.І. Основна частина досліджень була проведена безпосередньо автором. У роботах [2, 4, 6, 9-11, 15] (див. список опублікованих робіт по темі дисертації) здобувачеві належать стадійний механізм ІЛ, програмне забезпечення, розрахунки та висновки. Співавторами обговорювалися результати робіт. У роботах [1, 3, 5, 8, 12-14, 16, 18] здобувач брав участь в постановці теоретичної частини завдання, обговоренні результатів з науковим керівником. Побудував стадійні механізми явищ, розробив програмне забезпечення і виконав розрахунки. У роботах [7, 17] здобувачеві належить ідея експерименту, методика його проведення і моделі механізмів явищ, що вивчалися. Експериментальна частина роботи виконана асистентом кафедри фізики Приазовського державного технічного університету Тютюнниковим В.І. Проф. Стиров В.В. (ПДТУ) брав участь в обговоренні результатів робіт [7, 17].
Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися й обговорювалися на 11th International Conference “Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter”, Томськ (Росія), 2000; 9th International Workshop “Ion Beam Surface Diagnostics”, Запоріжжя, 2000; 7й - 9й, 11й і 12й регіональних науково-технічних конференціях, Маріуполь, 2000 - 2002, 2004, 2005; 15й, 17й міжнародних конференціях “Взаимодействие ионов с поверхностью”, Звенігород (Росія), 2001, 2005; 1st EFCATS School on Catalysis “New Trends in Catalysis Research and Application”, Prague (Czech Republic), 2001; міжнародній конференції з люмінесценції до 110-річчя зі дня народж. ак. С.І.Вавілова, Москва (Росія), 2001; школі-конференції “Современные проблемы радиационной физики твердого тела”, Томськ (Росія), 2001; 9th International Workshop “Desorption Induced by Electronic Transitions”, Aussois (France), 2002; 1й Української наукової конференції з фізики напівпровідників, Одеса, 2002; 6й, 7й міжнародних конференціях “Модификация материалов пучками частиц и потоками плазмы”, Томськ (Росія), 2002, 2004; міжнародній науково-технічній конференції “Тонкие пленки и слоистые структуры”, Москва (Росія), 2002; 5th European Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation “LUMDETR - 2003”, Prague (Czech Republic), 2003; 6th International Conference on Catalysis “EuropaCat-VI”, Innsbruck (Austria), 2003; міжнародній науковій школі-конференції “Тонкие пленки и наноструктуры”, Москва (Росія), 2004.
Публікації. Результати дисертації викладені в 24 публікаціях, з яких 7 –статті (в тому числі 5 –у наукових виданнях, які входять до переліку ВАК України), 17 –публікації матеріалів і тез наукових конференцій та семінарів.
Структура й обсяг дисертації.Дисертація складається з введення, чотирьох розділів, висновків і списку використаної літератури з 219 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 180 сторінок і включає 108 сторінок тексту та 49 малюнків.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано зв'язок роботи з науковими програмами і темами, сформульовано мету і задачі дослідження, показано наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, розглянуто особистий внесок здобувача при виконанні дисертаційної роботи.
У першому розділі подано короткий огляд літературних даних по експериментальним і теоретичним дослідженням явищ, що супроводжують взаємодію іонів з твердими тілами, і процесам релаксації коливально-збуджених станів на поверхні твердих тіл, що виникають при іонному ударі. Розглянуто відомі механізми збудження ІЛ і ІФЕ.
Другий розділ присвячено теоретичному та експериментальному дослідженню іонолюмінесценції широкозонних твердих тіл, що збуджується іонами низьких енергій
(~ 100 еВ).
При малих енергіях іонів, внаслідок значної різниці мас електрона і бомбардуючого іона, перекидання електрона з валентної зони в зону провідності широкозонного твердого тіла за рахунок удару є малоймовірним, і велика частина енергії йде на коливальне збудження атомів на поверхні та в об'ємі твердого тіла. Розроблено механізм ІЛ в наближенні багатоквантового коливально-електронного переходу, в основу якого покладено, що збудження ІЛ відбувається в результаті перетворення енергії високозбуджених коливальних станів, що генеруються іонним ударом, в електронну, таким же чином як це відбувається в гетерогенних хімічних реакціях, коли електрони, що знаходяться в змінному полі коливально-збуджених молекул на поверхні, що утворюються в результаті реакції, переходять в метастабільні стани за рахунок перетворення енергії декількох коливальних квантів в енергію електронних збуджень по багатоквантовому коливально-електронному механізму [1]. У запропонованому механізмі врахована також високоефективна акомодація коливальної енергії по електронному каналу при наявності в твердому тілі системи мілких електронних пасток. Здійснено опис мікромеханізму ІЛ двокомпонентних широкозонних твердих тіл в області низьких енергій іонів (5-200 еВ), який ґрунтується на багатоквантовому коливально-електронному переході (коливально-електронний механізм ІЛ). На основі цього механізму визначено швидкості багатоквантової коливально-електронної релаксації високозбуджених коливальних станів, що утворюються в результаті іонного удару, яка супроводжується генерацією електронно-діркової пари в ZnS,CdS-Ag (5∙10 с-1, Eg = 3 еВ) та перекиданням електрона з рівня мілкої пастки в зону провідності (2,5∙10 с-1 та
∙10 с-1 для глибини пасток ДE = 0,17 еВ та 0,5 еВ, відповідно). Вихід електронно-діркових пар і електронів з пасток на одну коливально-збуджену квазімолекулу: , тобто ймовірність електронної акомодації коливальної енергії за участю електрона на пастці на 5 порядків перевищує величину електронної акомодації для випадку переходу “зона-зона”. Тут
Г ~ 10 с-1 – швидкість багатофононної релаксації. Іон з енергією 100 еВ генерує ~ 20 високозбуджених коливальних станів в твердому тілі [2]. Звідси вихід квантів ІЛ на один падаючий іон (=100 еВ, Eg=3 еВ) дорівнює 2∙10-4. Згідно коливально-електронному механізму, ІЛ повинна збуджуватися починаючи з ≥ Eg (для однакової маси іона й атома мішені) для механізму рекомбінації Класенса-Шена та ≥ E (енергії електронного переходу) для прямого механізму збудження центру світіння, та експоненціально зростати зі зменшенням ширини забороненої зони кристалофосфору.
Відповідно до мікромеханізму ІЛ розроблена кінетична модель ІЛ (~10 еВ) двокомпонентного твердого тіла (XY) з системою мілких електронних пасток.
; (I) ; (II) ; (III) ; (IV) ; (V) ; (VI) ; (VII) ; (VIII) ; (IX) (X) . (XI)
У моделі коливальне збудження атомів мішені відбувається за рахунок іонного удару (I), яке потім релаксує не тільки по фононному (II), але й електронному (III) каналу (в результаті багатоквантового коливально-електронного переходу), у тому числі за участю електронів (eT) на пастках (IV). Враховано, що генерація електронно-дірковіх пар і спустошення пасток в твердому тілі можливі також за рахунок іонного удару (V, VI) (за яким-небудь іншім механізмом), та УФ і ІЧ світла (VII, VIII). Електронні процеси в твердому тілі описані стадіями IX-XI. Тут нi , нei –ймовірності, а Гi , Гei –віднесені до одиниці часу швидкості відповідних процесів; , , , , , де j, Ф,2 –густини потоків іонів, УФ та ІЧ світла, у, уe4,5 –перерізи коливального збудження атомів твердого тіла іонами I+ і поглинання УФ та ІЧ квантів; K –константа швидкості ВЕА.
Із розглянутої моделі інтенсивність люмінесценції дорівнює:
. (1)
У (1) вводяться позначення величин, які визначаються з системи диференційних рівнянь: , , , , , , , де концентрація коливально-збуджених квазімолекул . Проведено моделювання ІЛ цинк-кадмій-сульфідних кристалофосфорів, яка збуджується стаціонарними та імпульсними пучками іонів низьких енергій. Показано, що згідно з коливально-електронним механізмом ІЛ інтенсивність стаціонарної ІЛ і люмінесценції, яка збуджується імпульсним потоком іонів, зростає із енергією іонів по лінійному закону і визначається наростанням із збільшенням . Температурна залежність ІЛ (низькі ) має вигляд функції через максимум; зростання ІЛ із зростанням температури пов'язано із збільшенням внаслідок зростання амплітуди теплових коливань, яке приводить до зростання перерізу коливального збудження атомів гратки іонним ударом, а спад –з температурним гасінням люмінесценції. Проведено моделювання ІЛ електронно-збуджених УФ світлом цинк-сульфідних і цинк-кадмій-сульфідних кристалофосфорів, що мають електронні пастки з глибиною залягання 0,17-1,1 еВ.
Моделювання (рис. 1,а) проводилося таким чином: зразок збуджувався імпульсним потоком іонів і реєструвалася IІЛ; потім зразок опромінювався потоком УФ світла Ф, а потім знов імпульсно вмикався пучок іонів і реєструвався спалах інтенсивності ІЛ –. Дослід багато разів повторювався при різних Ф.
Рис. 1. Залежність від часу інтенсивності люмінесценції зразка ZnS,CdS-Ag, що збуджується імпульсним пучком іонів і УФ світлом (позначено стрілками) (а), та інтенсивності від потоку УФ світла при різних температурах (б). j = 3∙10 см-2с-1, еВ, ДЕ = 0,4 еВ;
Т=300 К (1), Т=350 К (2), Т=400 К (3) (розрахунок).
Виявлено, що при імпульсному збудженні ІЛ інтенсивність ІЛ залежить від потоку УФ світла (рис. 1,б) і зростає більш ніж на два порядки величини при Ф ≥ 10 см-2с-1, в порівнянні з незбудженими УФ світлом зразками. Ефект падав із збільшенням температури зразка. Знайдено, що ефект обумовлений ВЕА енергії високозбуджених коливальних станів, що утворилися при іонному ударі, в результаті передачі коливальної енергії електрону на мілкої пастці та його перекидання в зону провідності. Показано, що інтенсивність визначається концентрацією електронів на пастках. Знайдено, що в області енергій іонів, де відбувається збудження ІЛ по коливально-електронному механізму ІЛ ( еВ) відношення не залежить від енергії іонів (і дорівнює 10 для ZnS,CdS-Ag при Ф=10 см-2с-1), а в області енергій
еВ повинна спостерігатися залежність б від , а саме, зменшення б при збільшенні (до б = 1 при еВ). Опромінювання ІЧ світлом призводило до спустошення заселених пасток і зменшення . При бомбардуванні стаціонарним пучком іонів електронне збудження УФ світлом, навпаки, призводило до зменшення (у декілька разів) інтенсивності ІЛ. Ефект пов'язаний з релаксацією по високоефективному електронному каналу і проявлявся яскравіше при низьких температурах, коли немає термічного спустошення пасток.
Для перевірки одержаних із теоретичної моделі результатів і виявлення ефектів, що витікають з коливально-електронного механізму ІЛ, були проведені (спільно з Тютюнниковим В.І. та Стировим В.В. на високовакуумній установці, яка описана в [3]) спеціальні пошукові експерименти на зразках із збудженням люмінесценції по механізму Класенса-Шена –ZnS,CdS-Ag і прямим механізмом збудження –ZnS-Tm та CaO-Bi. Експеримент проводився по методиці, представленій на рис. 1,а. Зразок опромінювали УФ світлом та імпульсним пучком іонів і реєстрували інтенсивність спалаху IІСЛ іоностимульованої люмінесценції (ІСЛ). Виявлено, що інтенсивність ІСЛ залежить від рівня збудження УФ світлом (рис. 2), і зростає з рівнем електронного збудження зразка. Це явище пов'язане з електронами на пастках. Спустошення електронних пасток за рахунок тепла приводило до зникнення ефекту.
1
2
3
d41, e2. ee.
e1 = Ib2 / Ib2
e1 = Ib2 / Ib2