Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
физико-математических наук: 01.04.07 - Физика конденсированного
состояния. — ФГБУН Институт промышленной экологии Уральского
отделения Российской академии наук и ФГАОУ ВПО «Уральский
федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.
Ельцина». — Екатеринбург, 2016. — 24 с.
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент
Сюрдо А.И.
Целью работы является установление роли анионного
дефицита и сопутствующей ему и изменяемой термооптической
обработкой дефектности в формировании люминесцентных свойств оксида
алюминия в макро- и наноструктурированном состоянии.
Для достижения поставленной цели необходимо решить
следующие задачи:
Модернизировать экспериментальную установку для расширения ее функционального потенциала, а именно, предусмотреть возможность изменения в широких пределах интенсивности и спектрального состава стимулирующего излучения, используемого при возбуждении ОСЛ и при ТОО, а также разработать методику и ее аппаратурную реализацию, которые позволили бы исследовать 3D-спектрограммы ТЛ в диапазоне температур 300-800 К.
Провести систематическое изучение ОСЛ- и ТЛ-свойств монокристаллов α-Al2O3-б с заполненной в ходе ТОО глубокой ловушкой, в частности при варьировании энергии (длины волны) стимулирующего излучения и степеней заполнения основной и глубокой ловушек. Установить взаимосвязь между фототрансфером носителей, ОСЛ- и ТЛ-выходами с особым акцентом на выходы ТЛ при 450 и 720 К, обусловленные опустошением основной и глубокой ловушками.
Исследовать влияние ТОО, в том числе при изменении ее продолжительности и спектра оптического излучения, на оптические, люминесцентно-кинетические и эмиссионные свойства монокристаллов α-Al2O3-δ. С учетом полученных результатов исследований и литературных данных предложить и обосновать возможные механизмы преобразования активных центров в монокристаллах α-Al2O3-δ при проведении ТОО.
Разработать способ получения тонких наноструктурированных покрытий на основе оксида алюминия, обеспечивающий их максимальные ТЛ- и ОСЛ- отклики.
Изучить структурно-морфологические и люминесцентно-кинетические свойства синтезированных образцов, определить возможную природу активных излучающих центров и провести сравнительный анализ свойств с монокристаллами α-Al2O3-δ.
Оценить возможности применения полученных тонких наноструктурированных покрытий на основе оксида алюминия в люминесцентной дозиметрии β- и мягкого фотонного излучений. Научная новизна:
Установлено, что специальная ТОО кристаллов α-Al2O3- (Т= 670 К, hν= 4.1 эВ, W= 225 мДж/см2) позволяет существенно увеличить соотношение сигнал/шум и выходы не только ТЛ в основном пике при 450 К, но и ОСЛ за счет смещения спектра высвечивания в ультрафиолетовую область. Впервые выявлена также зависимость параметров ТЛ от спектра и от суммарной энергии оптической стимуляции при ТОО.
Обнаружено, что при заполнении в ходе специальной ТОО глубокой ловушки в спектрах пиков ТЛ при 450 и 720 К преобладающим становится свечение с максимумами при 3.6-3.7 эВ, не связанное с F+- центрами. Выдвинуто и обосновано предположение о том, что ТОО кристаллов α-Al2O3-б способствует преобразованию имеющихся в них центров Ali-типа в новые, которые, как и F+-центры, излучают при Т= 300 К вблизи 3.8 эВ, но имеют значительно большее время жизни в возбужденном состоянии ~300 мс.
Впервые в подвергнутых специальной ТОО образцах α-Al2O3-б для основной и глубокой ловушек, обуславливающих ТЛ-пики соответственно при 450 и 720 К, проведено сравнительное изучение спектров их оптического опустошения. Обнаружено, что спектр опустошения глубокой ловушки имеет максимум вблизи 3.1 эВ, меньшую полуширину и сдвинут на ~0.2 эВ в высокоэнергетическую область относительно спектра опустошения основной ловушки.
Выявлена взаимосвязь фототрансфера носителей заряда с выходами и кинетиками ТЛ и ОСЛ в подвергнутых ТОО образцах α-Al2O3-. Показано, что при стимуляции синим излучением кривая затухания ОСЛ формируется в результате одновременно-последовательного фототрансфера носителей из глубокой ловушки через основную на центры излучательной рекомбинации либо минуя основную ловушку непосредственно на указанные центры. Получено, что наибольший вклад в выход ОСЛ дает последовательный фототрансфер.
Методом испарения мишени импульсным электронным пучком впервые получены тонкослойные (15-20 мкм) наноструктурированные анионодефицитные покрытия из Al2O3, обладающие существенными ТЛ- и ОСЛ- выходами. Установлено, что наибольшие значения выходов достигаются при одновременном максимально возможном содержании в покрытиях анионных вакансий и γ-фазы, и они соизмеримы с подобными для α-Al2O3-б
Обнаружено, что ТЛ- и ОСЛ- свойства наноструктурированных образцов γ-Al2O3-б, как и кристаллов α-Al2O3-б, формируются в результате излучательных переходов в центрах F-типа, которые имеют близкие люминесцентно-кинетические параметры.
Модернизировать экспериментальную установку для расширения ее функционального потенциала, а именно, предусмотреть возможность изменения в широких пределах интенсивности и спектрального состава стимулирующего излучения, используемого при возбуждении ОСЛ и при ТОО, а также разработать методику и ее аппаратурную реализацию, которые позволили бы исследовать 3D-спектрограммы ТЛ в диапазоне температур 300-800 К.
Провести систематическое изучение ОСЛ- и ТЛ-свойств монокристаллов α-Al2O3-б с заполненной в ходе ТОО глубокой ловушкой, в частности при варьировании энергии (длины волны) стимулирующего излучения и степеней заполнения основной и глубокой ловушек. Установить взаимосвязь между фототрансфером носителей, ОСЛ- и ТЛ-выходами с особым акцентом на выходы ТЛ при 450 и 720 К, обусловленные опустошением основной и глубокой ловушками.
Исследовать влияние ТОО, в том числе при изменении ее продолжительности и спектра оптического излучения, на оптические, люминесцентно-кинетические и эмиссионные свойства монокристаллов α-Al2O3-δ. С учетом полученных результатов исследований и литературных данных предложить и обосновать возможные механизмы преобразования активных центров в монокристаллах α-Al2O3-δ при проведении ТОО.
Разработать способ получения тонких наноструктурированных покрытий на основе оксида алюминия, обеспечивающий их максимальные ТЛ- и ОСЛ- отклики.
Изучить структурно-морфологические и люминесцентно-кинетические свойства синтезированных образцов, определить возможную природу активных излучающих центров и провести сравнительный анализ свойств с монокристаллами α-Al2O3-δ.
Оценить возможности применения полученных тонких наноструктурированных покрытий на основе оксида алюминия в люминесцентной дозиметрии β- и мягкого фотонного излучений. Научная новизна:
Установлено, что специальная ТОО кристаллов α-Al2O3- (Т= 670 К, hν= 4.1 эВ, W= 225 мДж/см2) позволяет существенно увеличить соотношение сигнал/шум и выходы не только ТЛ в основном пике при 450 К, но и ОСЛ за счет смещения спектра высвечивания в ультрафиолетовую область. Впервые выявлена также зависимость параметров ТЛ от спектра и от суммарной энергии оптической стимуляции при ТОО.
Обнаружено, что при заполнении в ходе специальной ТОО глубокой ловушки в спектрах пиков ТЛ при 450 и 720 К преобладающим становится свечение с максимумами при 3.6-3.7 эВ, не связанное с F+- центрами. Выдвинуто и обосновано предположение о том, что ТОО кристаллов α-Al2O3-б способствует преобразованию имеющихся в них центров Ali-типа в новые, которые, как и F+-центры, излучают при Т= 300 К вблизи 3.8 эВ, но имеют значительно большее время жизни в возбужденном состоянии ~300 мс.
Впервые в подвергнутых специальной ТОО образцах α-Al2O3-б для основной и глубокой ловушек, обуславливающих ТЛ-пики соответственно при 450 и 720 К, проведено сравнительное изучение спектров их оптического опустошения. Обнаружено, что спектр опустошения глубокой ловушки имеет максимум вблизи 3.1 эВ, меньшую полуширину и сдвинут на ~0.2 эВ в высокоэнергетическую область относительно спектра опустошения основной ловушки.
Выявлена взаимосвязь фототрансфера носителей заряда с выходами и кинетиками ТЛ и ОСЛ в подвергнутых ТОО образцах α-Al2O3-. Показано, что при стимуляции синим излучением кривая затухания ОСЛ формируется в результате одновременно-последовательного фототрансфера носителей из глубокой ловушки через основную на центры излучательной рекомбинации либо минуя основную ловушку непосредственно на указанные центры. Получено, что наибольший вклад в выход ОСЛ дает последовательный фототрансфер.
Методом испарения мишени импульсным электронным пучком впервые получены тонкослойные (15-20 мкм) наноструктурированные анионодефицитные покрытия из Al2O3, обладающие существенными ТЛ- и ОСЛ- выходами. Установлено, что наибольшие значения выходов достигаются при одновременном максимально возможном содержании в покрытиях анионных вакансий и γ-фазы, и они соизмеримы с подобными для α-Al2O3-б
Обнаружено, что ТЛ- и ОСЛ- свойства наноструктурированных образцов γ-Al2O3-б, как и кристаллов α-Al2O3-б, формируются в результате излучательных переходов в центрах F-типа, которые имеют близкие люминесцентно-кинетические параметры.