Радиационные процессы в ионных кристаллах

РАДИАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ИОННЫХ KP ИСТАЛЛАХ

§2.1. Оптиче ское возбуждение ионн ых кристаллов 1 1.14-1 6]

Под оптиче ским излу чением понимается электромагнитное излучение с длинами волн, расположенн ыми в диапаз оне от 0,01 нм ( эВ)до 10мм ( эВ) [18] . Указанный диапазон электромагнитн ых волн охватывае т в основном инфракрасное, ви ди­ мо е, у льтрафиолетовое и рентгеновское из лучение . Хотя эти виды излучений ве сьма сильно различаются между собой п о свойствам, природе из лучателе й и способы регистрации, те м не менее для всех их общим является то, что для них совре ме нн ая техни ка поз­воляет формировать достаточно нап равл енные потоки волн и, сле ­довательно, с п омощ ь» их мож но еще получ ать «изображение» пред­метов. Ниже будет идти ре чь о возбуж де нии кристал лов в основ ном оптиче ским из луче нием.

При облучении кристаллов квантами э лектромагн итног о излуче­ния и частицами (наприме р, эле ктрона ми) в широком диапазоне энергий можно осуще ствить воз буждение электронной и ядерной подсисте м кристалла [14-16). В идеальном и онном кристалле в об ласти энергий квантов 10 - 10» эВ наблюдается поглощение из­лучения, сопровождающееся возбуждением колебаний кристалличес­кой решетки (созданием фотонов); в области энергии эВ наблюдается поглощение, соответствующее возбуждению электронной подсистемы кристалла (созданию электронных возбуждений ); в об­ласти еще больших значений энергии могут осуществляться возбуж­дения ядер.

В реальном кристалле с собственными и примесными дефектами наблюдаются еще относительно слабые полосы поглощения в фотонной области и в области электронных возбуждений, обусловленные наличием этих дефектов.

Щелочно-галоидные соединения обладают широкими зонами запрещенных значений энергии (например, для ,NaCl= 8,6 эВ). Благодаря этому чистые ЩГК оптически прозрачны в широком спектральном диапа­зоне, включающем всю видимую и близкую инфракрасную область, а также значительную часть ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Эти кристаллы поглощают излучение с длинами волн в основном ко­роче 210 нм ( > 5,9 эВ). Показатель поглощения в максимумах полос достигает значений . Столь большие значения показателя поглощения свидетельствуют о том, что это поглощение связано не с дефектами кристалла, а с возбуждением соб­ственных ионов, входящих в состав кристалла.

Спектральное положение наиболее интенсивного максимума (рис.2.1) зависит от природы аниона. Кроме того, при облучении кристалла излучением из области этой полосы поглощения кристалл практически не приобретает свойство фотопроводимости (см.: [17] , с.7). На основании этих фактов сделан вывод, что наиболее интен­сивный максимум в спектре поглощения обусловлен созданием бестоковых подвижных электронных возбуждений - низкоэнергетических анионных экситонов (е°). Аннонный экситон в момент его рождения можно представить себе как возбужденное состояние аниона ()* (§2.2).

Характерная ступенька в спектре поглощения, следующая за максимумом е°, обусловлена началом оптических переходов элект­ронов из валентной зоны в зону проводимости, приводящих к созда­нию электронно-дырочных пар ( - возбуждений). При этом происходит ионизация анионов (X») и переход электронов к катио­нам (), кристалл становится токопроводящим.

При энергиях квантов, превышающих ширину запрещенной зоны ( ), в спектре оптического поглощения наблюдается боль-вое число резких и размытых максимумов, налагающихся на относительно плавно изменяющийся «фон». Резкие максимумы обусловлены высокоэнергетическими анионными экситонами, а фон отражает структуру валентной зоны и зоны проводимости и соответствует рождению электронно-дырочных пар.

В ионных кристаллах существуют и катионные экситоны. Энергия возбуждения свободных ионов щелочных металлов имеют в эВ следующие значения: ;; (см.:[16] c.29, с.29). В этих областях спектра обнаружены узкие, хорошо выраженные максимумы, характерные для каждого из катионов и слабо зависящие от анионов.

Поглощение оптического излучения, связанное с образованием в кристалле экситонов и электронно-дырочных пар, называется соб­ственным или фундаментальным поглощением.

При наличии в кристалле примесных дефектов (в люминесцирующие кристаллы активирующая примесь обычно вводится преднамерен­но, § 3.2) в запрещенной зоне энергии возникают локальные уровни E1, и E2, (рис. 1.8), соответствующие основному и возбужденное состояниям примесного центра. Локальным электронным возбуждениям соответствуют полосы поглощения l (рис. 2.1).

При возбуждении ионных кристаллов квантами электромагнитно­го излучения большой энергии (рентгеновское, -излучение) в них протекают сложные процессы, которые схематично могут быть описаны следующим образом [14,16]. В результате первичного акта взаимодействия ионизирующей радиации с кристаллом в нем за вре­мя порядка ~c возникают электроны большой энергии ( ); создающие в кристалле каскады вторичных электронов (рис. 2.2). В результате неизвестных пока процессов за время c. эти электроны создают нестабильные возбуждения кристаллической решетки, называемые резонансами (r ), которые в течение c. распадаются на стабильные элементарные возбуждения (S )

При возбуждении кристалла медленными электронами и фо