Іонолюмінесценція широкозонних твердих тіл у метастабільному стані

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Донецький фізико-технічний інститут

ім. О.О. Галкіна

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

Гранкін Денис Вікторович

Донецьк - 2006

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 Корніч Григорій 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 наукТ.М. Тарасенко

іонолюмінесценція емісія іон релаксація

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 A^IIB^VI 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:

1. Розроблено коливально-електронний механізм іонолюмінесценції. Вперше показано, що збудження ІЛ низькоенергетичними іонами (5-200 еВ) може відбуватися в результаті електронної акомодації енергії високозбуджених в іонному ударі коливальних станів. Визначено швидкості багатоквантової коливально-електронної релаксації і вихід ІЛ.

2. Вперше проведено моделювання ІЛ широкозонних твердих тіл (ZnS, CdS) при наявності УФ і ІЧ збудження. Виявлено, що при імпульсному збудженні поверхні низькоенергетичними іонами інтенсивність ІЛ залежить від потоку УФ світла і може зростати більш ніж на два порядки в порівнянні з незбудженими УФ світлом зразками, а при збудженні ІЛ стаціонарним пучком, навпаки - зменшуватися.

3. У спеціально проведених пошукових експериментах виявлено, що при електронному збудженні УФ світлом зразка ZnS,CdS-Ag, відбувається збільшення інтенсивності ІЛ, яка збуджується імпульсним потоком іонів (?175 еВ) більш ніж на порядок, в порівнянні з незбудженим УФ світлом зразком. Встановлено, що це явище пов'язане з електронами на пастках. Знайдено, що відношення перерізів електронного збудження “домішка-зона”, “зона-зона” для ZnS,CdS-Ag іонами низьких енергій (<200 еВ) більше ніж 10⁵ і було таким же, як і в теоретичних розрахунках.

4. Показано, що коливально-електронний механізм при збудженні ІЛ ZnS,CdS-Ag діє при енергіях іонів 5-200 еВ. При більш високих енергіях його внесок в інтенсивність ІЛ зменшується і при >500 еВ не спостерігається.

5. Розроблено механізм збудження ІФЕ низькоенергетичними іонами в наближенні молекулярно-дисоціативної моделі, в якому вперше враховано процеси коливально-електронної релаксації за участю електронних станів в твердому тілі. Знайдено, що електронне збудження широкозонних твердих тіл із системою мілких електронних пасток УФ світлом може приводити до зменшення, а ІЧ світлом - до збільшення інтенсивності ІФЕ та швидкості іонного травлення.

6. Вперше показано, що електронний канал акомодації енергії коливально-збуджених частинок на широкозонних твердих тілах в метастабільному стані може визначати швидкість іоностимульованої десорбції, і що за допомогою УФ та ІЧ збудження можна керувати її швидкістю. Розроблено механізм іоностимульованої десорбції адсорбованих частинок із поверхні сполук A^IIB^VI, що враховує їх коливальне збудження, і в якому вперше введені процеси релаксації коливально-збуджених адмолекул по високоефективному електронному каналу.

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 внесок здобувача. 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 11^th International Conference “Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter”, Томськ (Росія), 2000; 9^th International Workshop “Ion Beam Surface Diagnostics”, Запоріжжя, 2000; 7^й - 9^й, 11^й і 12^й регіональних науково-технічних конференціях, Маріуполь, 2000 - 2002, 2004, 2005; 15^й, 17^й міжнародних конференціях “Взаимодействие ионов с поверхностью”, Звенігород (Росія), 2001, 2005; 1^st 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; 9^th International Workshop “Desorption Induced by Electronic Transitions”, Aussois (France), 2002; 1^й Української наукової конференції з фізики напівпровідників, Одеса, 2002; 6^й, 7^й 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; 5^th European Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation “LUMDETR - 2003”, Prague (Czech Republic), 2003; 6^th 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•10⁵ с^-1, E_g = 3 еВ) та перекиданням електрона з рівня мілкої пастки в зону провідності (2,5•10¹⁰ с^-1 та 1•10⁹ с^-1 для глибини пасток ДE₁ = 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 Г₁₂ ~ 10¹⁰ 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, E_g=3 еВ) дорівнює 2•10^-4. Згідно коливально-електронному механізму, ІЛ повинна збуджуватися починаючи з ? E_g (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 (~10² 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 н_i , н_ei - ймовірності, а Г_i , Г_ei - віднесені до одиниці часу швидкості відповідних процесів; , , , , , де j₃, Ф_1,2 - густини потоків іонів, УФ та ІЧ світла, у₂₂, у_e4,5 - перерізи коливального збудження атомів твердого тіла іонами I⁺ і поглинання УФ та ІЧ квантів; K₂₂ - 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 I_ІЛ; потім зразок опромінювався потоком УФ світла Ф₁, а потім знов імпульсно вмикався пучок іонів і реєструвався спалах інтенсивності ІЛ - . Дослід багато разів повторювався при різних Ф₁.

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). j₃ = 3•10¹³ см^-2с^-1, еВ, ДЕ₁ = 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 Ф₁ ? 10¹² 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 10² для ZnS,CdS-Ag при Ф₁=10¹² 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 I_ІСЛ 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.



Рис. 2. Залежність відношення б - інтенсивності ІСЛ до інтенсивності ІЛ неопроміненого зразка, від потоку УФ світла на зразок ZnS,CdS-Ag. Прискорююча напруга U = 100; 150; 200; 300; 400; 600 В (криві 1-6 відповідно); Т = 300 К; I = 0,03 мкА·см^-2.

Величина б = I_ІСЛ / I_ІЛ залежить від енергії іонів (рис. 3) і ця залежність якісно узгоджується з теоретичними розрахунками. При = 100 и 150 еВ ефект був максимальний (б = 20) і зменшувався із зростанням . При ? 600 еВ б = 1, тобто впливу електронного збудження на характеристики ІЛ не спостерігалося.

Рис. 3. Залежність б від енергії іонів для зразка ZnS,CdS-Ag. Т = 300 К; I = 0,03 мкА·см^-2 (1 - експеримент, 2 - теорія).

Незалежність б від енергії іонів при < 200 еВ вказує на коливально-електронний механізм збудження ІЛ в області низьких значень енергії іонів. Для зразків з внутрішньоцентровим збудженням - CaO-Bi, ZnS-Tm, для яких не повинно бути впливу заселеності електронних пасток на інтенсивність ІЛ, ефект не спостерігався ні при яких Ф₁ і енергіях іонів. Із збільшення інтенсивності ІЛ в 20 разів і співвідношення концентрацій електронів на пастках (вимірювалися за допомогою ТСЛ) і регулярних атомів: 20N₀у=n_eу_e (n_e=10¹¹ см^-2с^-1, N₀=10¹⁵ см^-2с^-1) слідує, що ефективний переріз збудження електрона на пастці у_e на 5 порядків перевищує ефективний переріз у збудження електрона “зона-зона” і виявився таким же, як і в теоретичних розрахунках по коливально-електронному механізму ІЛ. Це свідчить про те, що ймовірність збудження електрона на пастці коливально-збудженим зв'язком в кристалі, що генерується іоном, близька до одиниці.

Рис. 4. Залежність інтенсивності стаціонарної ІЛ зразка ZnS,CdS-Ag від енергії іонів (1 - експеримент, 2 - теорія). Т = 300 К; густина іонного струму I = 0,03 мкА·см^-2. (У вставці наводиться та ж залежність для енергії іонів до 350 еВ).

Інтенсивність стаціонарної ІЛ ZnS,CdS-Ag в області низьких енергій іонів мала дві характерні ділянки - лінійну в області енергій до 175 еВ та нелінійну при енергії > 200 еВ (рис. 4). Лінійна залежність в області низьких енергій іонів ( еВ) спостерігалася також при моделюванні і вказує на діапазон енергій іонів, де працює коливально-електронний механізм ІЛ.

Третій розділ присвячений дослідженню ІФЕ двокомпонентних широкозонних твердих тіл в метастабільному стані, що збуджується іонами низьких енергій, які призводять до коливального збудження атомів твердого тіла.

Врахування процесів коливально-електронної релаксації здійснено в молекулярно-дисоціативній моделі ІФЕ, яка є найбільш переважною при взаємодії іонів з широкозонними твердими тілами. У роботі побудовано мікромеханізм ІФЕ в наближенні молекулярно-дисоціативної моделі, в якому вперше врахована високоефективна акомодація коливальних станів по електронному каналу, на основі якого розроблено кінетичний механізм ІФЕ.

, (I) (II)

(III)

, (IV)

, (VI)

, (V)

. (VII)

У моделі стадія IV описує ВЕА, яка може визначати концентрацію при наявності заповнених УФ світлом (VII) електронних пасток. Електронні процеси в твердому тілі є аналогічними розглянутим в механізмі ІЛ і тут не наводяться. З моделі

,(2)

швидкість іонного травлення

.(3)

У моделюванні поведінка ІФЕ зразків у відсутності УФ-опромінювання була такою ж, як в рамках молекулярно-дисоціативної моделі. Спостерігалося зростання інтенсивності ІФЕ ZnS,CdS-Ag, пропорційне струму і енергії іонів. Швидкість іонного травлення і коефіцієнт розпилювання були пропорційні j₃ та . Особливості в поведінці ІФЕ проявлялися при переведенні твердого тіла в електронно-збуджений стан. Знайдено, що електронне збудження зразків УФ світлом приводить до зменшення (рис. 5) інтенсивності ІФЕ і швидкості іонного травлення за рахунок ВЕА коливальної енергії і зменшення . Інтенсивність ІФЕ і швидкість іонного травлення () залежали від концентрації електронів на пастках і зменшувались із зростанням n_e (рис. 6).

Рис. 5. Залежність зміни (зменшення) інтенсивності ІФЕ ДI_ИФЭ при вмиканні УФ світла від потоку УФ світла Ф₁ на зразок ZnS,CdS-Ag. j₃ = 1•10¹² см^-2с^-1, = 150 еВ, Т = 300 К (розрахунок).

Рис. 6. Залежність інтенсивності ІФЕ (крива 1) і швидкості іонного травлення (крива 2) від концентрації електронів на пастках; зразок ZnS,CdS-Ag. n₀ = 5•10¹² см^-2, j₃ = 1•10¹² см^-2с^-1, = 150 еВ, Т = 300 К (розрахунок).

Збільшення температури зразків, або ІЧ-опромінювання, навпаки, призводило до спустошення електронних пасток і збільшення швидкості травлення і інтенсивності ІФЕ. Ефект пов'язаний із зменшенням швидкості коливально-електронної релаксації за рахунок висвічування електронних пасток. Проведені сумісні дослідження ІФЕ і ІЛ зразків, що збуджуються УФ світлом, при імпульсній дії іонами. Залежності інтенсивності ІЛ і ІФЕ вели себе антибатно. Знайдено, що за допомогою УФ і ІЧ опромінювання можна управляти інтенсивністю ІФЕ і швидкістю іонного травлення широкозонного твердого тіла.

У четвертому розділі викладено результати дослідження іоностимульованої десорбції і електронних процесів на поверхні широкозонних твердих тіл з адсорбованими шарами. Побудовано механізм іоностимульованої десорбції атомів і молекул, в якому вперше було здійснене врахування ВЕА енергії коливально-збуджених молекул, що утворюються за рахунок іонного удару.

, (I)

,(II)

, (III)

, (IV)

,(V)

, (VI)

, (VII)

, (VIII)

, (IX)

.(X)

Електронні процеси в твердому тілі при іонному бомбардуванні є аналогічними тим, які розглянуті в розділі 2 і тут не наводяться. У I, IX, X іони призводять до коливального збудження молекул і десорбції атомів R і молекул R₂ з поверхні. Молекули можуть нерівноважно десорбуватися (III), дисоціювати (IV), релаксувати за рахунок генерації фононів (II) в твердому тілі, а також за рахунок ВЕА (V). Молекули й атоми можуть покидати поверхню в результаті термічної десорбції (VI, VII). Швидкості десорбції атомів і молекул, згідно моделі, дорівнюють:

;. (4)

У моделюванні знайдено, що у разі іоностимульованої десорбції атомів і молекул вмикання УФ світла призводить до зменшення швидкості десорбції (рис. 7).

Рис. 7. Швидкість десорбції молекул (1) і атомів (2) з поверхні ZnS,CdS-Ag, заздалегідь заповненої молекулами H₂, при дії іонами і УФ світлом. Т = 300 К; j₃ = 3·10¹² см^-2с^-1; N₂ = 10¹⁴ см^-2; Ф₁ = 10¹⁴ см^-2с^-1 (розрахунок).

У разі, коли на поверхні адсорбовані не молекули, а атоми поведінка при УФ опромінюванні була складнішою навіть при відсутності потоку іонів, і залежала від механізму десорбції. У разі переважного механізму термодесорбції (високі температури) електронне збудження твердого тіла УФ світлом мало наслідком зростання швидкості десорбції молекул і тим більшому, чим більшим був потік УФ світла. У разі нерівноважної десорбції (низькі температури) вмикання УФ світла, навпаки, призводило до зменшення швидкості десорбції молекул з поверхні і тим більшому, чим більше був потік УФ світла. За допомогою електронного каналу акомодації можна управляти швидкістю іоностимульованої десорбції з поверхні широкозонних твердих тіл.

ВИСНОВКИ

1. В дисертації вперше при описі ІЛ враховано процеси коливального збудження низькоенергетичними іонами атомів твердого тіла, з подальшою їх релаксацією в результаті акомодації енергії по електронному каналу. Вперше передбачено і показано, що збудження ІЛ низькоенергетичними іонами може відбуватися внаслідок коливально-електронної релаксації високозбуджених в іонному ударі коливальних станів, а також враховано високоефективну акомодацію коливальної енергії по електронному каналу.

2. Побудовано стадійний і мікромеханізм ІЛ двокомпонентних широкозонних твердих тіл в області низьких значень енергії іонів (5-200 еВ) в наближенні багатоквантового коливально-електронного переходу - коливально-електронний механізм ІЛ, і на його основі розраховано швидкості та ймовірності коливально-електронної релаксації і вихід ІЛ в даних умовах.

3. Теоретично передбачено ефект, а в пошукових експериментах виявлено збільшення в десятки разів інтенсивності ІЛ, яка збуджується низькоенергетичними іонами , при опроміненні зразка ZnS,CdS-Ag УФ світлом. Показано, що ефект обумовлений високоефективною електронною акомодацією енергії високозбуджених коливальних станів, що утворюються при іонному ударі, в результаті передачі коливальної енергії електрону на мілкій пастці.

4. Знайдено, що відношення перерізів електронного збудження “домішка-зона”, “зона-зона” для ZnS,CdS-Ag іонами (<200 еВ) більш ніж 10⁵ і було таким же, як і в теоретичних розрахунках.

5. Показано, що коливально-електронний механізм в збудженні ІЛ ZnS,CdS-Ag іонами діє при енергіях іонів 12-200 еВ. При більш високих енергіях його внесок в інтенсивність ІЛ зменшується і при >500 еВ не спостерігається.

6. Побудовано механізм збудження ІФЕ низькоенергетичними іонами в наближенні молекулярно-дисоціативної моделі, в якому вперше враховано процеси коливально-електронної релаксації за участю електронних станів в твердому тілі. Знайдено, що електронне збудження широкозонних твердих тіл із системою мілких електронних пасток УФ світлом може призводити до зменшення, а ІЧ світлом - до збільшення інтенсивності ІФЕ і швидкості іонного травлення.

7. Знайдено, що електронний канал акомодації енергії коливально-збуджених частинок на широкозонних твердих тілах в метастабільному стані може визначати швидкість іоностимульованої десорбції, і що за допомогою УФ та ІЧ збудження можна управляти її швидкістю. Розроблено механізм іоностимульованої десорбції адсорбованих частинок з поверхні сполук A^IIB^VI, що враховує їх коливальне збудження, і в якому вперше введені процеси релаксації коливально-збуджених адмолекул по високоефективному електронному каналу.

Список використаних джерел

1. Тюрин Ю.И. Возбуждение поверхности твердого тела атомами тепловой энергии // Поверхность. Физ. хим. мех. - 1986. - № 9. - С. 115-125.

2. Корнич Г.В., Бетц Г., Бажин А.И. Молекулярно-динамическое моделирование образования дефектов в кристалле алюминия при бомбардировке ионами низких энергий // ФТТ. - 2001. - Т. 43, № 1. - С. 30-34.

3. Стыров В.В., Тютюнников В.И. Спектры поверхностной люминесценции ZnS-Tm³⁺ при возбуждении атомами и ионами водорода низких энергий // Неорганические материалы. - 1992. - Т. 28, № 12. - С. 2353-2360.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Бажин А.И., Гранкин Д.В. Модель колебательно-электронного механизма возбуждения ионолюминесценции и ионно-фотонной эмиссии // Изв. АН, Сер. Физическая. - 2002. - Т. 66, № 1. - С. 134-137.

2. Гранкин Д.В., Бажин А.И. Кинетический механизм ионолюминесценции в представлении многоквантового колебательно-электронного перехода // Поверхность. - 2003. - № 9. - С. 105-110.

3. Гранкин Д.В., Бажин А.И. Кинетические закономерности аккомодации энергии колебательно-возбужденных молекул и десорбция при облучении широкозонных твердых тел УФ светом // Химическая физика. - 2005. - Т. 24, № 4. - С. 18-28.

4. Бажин А.И., Гранкин Д.В. Ионолюминесценция широкозонных твердых тел в метастабильном состоянии и десорбция, вызванная электронными переходами // Вестник Донецкого ун-та. Сер. А: Естественные науки. - 2002. - Вып. 1. - С. 249-254.

5. Гранкин Д.В., Бажин А.И. Ионостимулированная десорбция атомных частиц с поверхности в поле излучения // Вестник Донецкого ун-та. Сер. А: Естественные науки. - 2004. - Вып. 1. - С. 301-307.

6. Гранкин Д.В., Бажин А.И., Лазаренко С.В. Ионолюминесценция кристаллов в области малых энергий бомбардирующих ионов // Вестник Приазовского гос. тех. ун-та. - 2001. - № 11. - С. 339-345.

7. Гранкин Д.В., Стыров В.В., Тютюнников В.И. Ионолюминесценция электронно-возбужденных полупроводников // Вестник Приазовского гос. тех. ун-та. - 2004. - № 14. - С. 418-423.

8. Bazhin A.I., Grankin D.V. Relaxation processes of vibrational excitations on the surface of solids under ion bombardment // Proceedings of 11^th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter. - Tomsk, TPU, 2000. - P. 299-301.

9. Bazhin A.I., Grankin D.V. Model of vibrational-electronic mechanism of excitation of ionoluminescence and ion-photon emission // Proceedings of the 9^th International Workshop on Ion Beam Surface Diagnostics. - Zaporizhzhya, ZISMG, ZSU, 2000. - P. 19-21.

10. Бажин А.И., Гранкин Д.В. Ионолюминесценция твердых тел с системой мелких электронных ловушек в колебательно-электронной модели // Материалы 15^й Международной конференции “Взаимодействие ионов с поверхностью”. - Москва, Звенигород, 2001. - Т. 1. - С. 441-444.

11. Бажин А.И., Гранкин Д.В. Возбуждение цинксульфидных кристаллофосфоров под действием низкоэнергетических ионов // Материалы Междунар. конференции по люминесценции. - Москва, ФИАН, 2001. - С. 207.

12. Grankin D.V., Bazhin A.I. The mechanism of photostimulated relaxation of vibrational-excited molecules on the surface of semiconductor catalyst // Proc. 1-st EFCATS School on Catalysis “New Trends in Catalysis Research and Application”. - Prague (Czech Republic), 2001. - P. 173.

13. Grankin D.V. Electron accommodation of energy of vibrationally excited molecules and desorption at the wide-band solids illumination by UV light // Proceedings of 9^th International Workshop on Desorption Induced by Electronic Transitions. - Aussois (France), 2002. - P. 17.

14. Гранкин Д.В., Бажин А.И. Механизмы диссипации энергии колебательных возбуждений, индуцируемых ионным ударом // Материалы 6^й Международной конференции по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками. - Томск, ТПУ, 2002. - С. 284-287.

15. Гранкин Д.В., Бажин А.И. Процессы релаксации колебательных возбуждений, возникающих в пленках при радиационной обработке // Материалы Международной научно-технической конференции “Тонкие пленки и слоистые структуры”. - Москва, МИРЭА, 2002. -
Т. 1. - С. 251-254.

16. Grankin D.V., Bazhin A.I. Vibrational-electronic Processes In Reaction Of Heterogeneous Recombination Of Adatoms And Stimulated Desorption // Proceedings of 6^th International Conference on Catalysis. - Innsbruck (Austria), 2003. - A2.182.

17. Grankin D.V., Styrov V.V., Tyutyunnikov V.I. Luminescence dosimetry of ionizing radiation with reading-out by low energy ions // Book of abstracts of 5^th European Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation LUMDETR. - Prague (Czech Republic), 2003. - P. 175.

18. Бажин А.И., Гранкин Д.В. Ионостимулированная десорбция с поверхности полупроводника в поле УФ-излучения // Материалы 17^й Международной конференции Взаимодействие ионов с поверхностью. - Москва, Звенигород, 2005. - Т. 1. - С. 508-511.

Анотація

Гранкін Д.В. Іонолюмінесценція широкозонних твердих тіл у метастабільному стані.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - Фізика твердого тіла. - Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України, Донецьк, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню електронних явищ, що виникають при взаємодії низькоенергетичних іонів (~ 100 еВ) з поверхнею широкозонних твердих тіл, і моделюванню й експериментальному вивченню іонолюмінесценції (ІЛ) та іонно-фотонної емісії в області низьких енергій іонів. Показано, що збудження ІЛ може відбуватися внаслідок коливально-електронної релаксації високозбуджених в іонному ударі коливальних станів. Побудовано стадійний і мікромеханізм ІЛ двокомпонентних широкозонних твердих тіл (в тому числі, з адсорбованими частинками) в області низьких значень енергії іонів (5-200 еВ) у наближенні багатоквантового коливально-електронного переходу. Виявлено ефект збільшення в десятки разів інтенсивності ІЛ, що збуджується низькоенергетичними іонами , при опроміненні зразка ZnS,CdS-Ag УФ світлом. Показано, що коливально-електронний механізм у збудженні ІЛ ZnS,CdS-Ag іонами діє при енергіях іонів 12-200 еВ.

Ключові слова: іонолюмінесценція, іонно-фотонна емісія, ZnS,CdS-Ag, широкозонне тверде тіло, іонне розпилювання, іоностимульована десорбція, низькоенергетичний пучок іонів.

АННОТАЦИЯ

Гранкин Д.В. Ионолюминесценция широкозонных твердых тел в метастабильном состоянии.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - Физика твердого тела. - Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины, Донецк, 2006.

Диссертация посвящена исследованию электронных явлений на поверхности твердых тел, возникающих при взаимодействии низкоэнергетических ионов (~ 100 эВ) с поверхностью широкозонных твердых тел, и моделированию и экспериментальному изучению ионолюминесценции (ИЛ) и ионно-фотонной эмиссии (ИФЭ) в области низких значений энергии ионов, учитывающему аккомодацию колебательных возбуждений в твердом теле и на поверхности, возникающих в результате удара, по электронному каналу.

В диссертации впервые при описании ИЛ учтены процессы колебательного возбуждения низкоэнергетическими ионами атомов твердого тела, с последующей их релаксацией в результате аккомодации энергии по электронному каналу. Впервые предполагается и показано, что возбуждение ИЛ низкоэнергетическими ионами может происходить вследствие колебательно-электронной релаксации высоковозбужденных в ионном ударе колебательных состояний, а также учтена высокоэффективная аккомодация колебательной энергии по электронному каналу. Построен стадийный и микромеханизм ИЛ двухкомпонентных широкозонных твердых тел в области низких значений энергии ионов (5-200 эВ) в приближении многоквантового колебательно-электронного перехода - колебательно-электронный механизм ИЛ, и на его основе рассчитаны скорости и вероятности колебательно-электронной релаксации и выход ИЛ в рассматриваемых условиях.

Обнаружен эффект увеличения в десятки раз интенсивности ИЛ, возбуждаемой низкоэнергетическими ионами , при освещении образца ZnS,CdS-Ag УФ светом. Показано, что эффект обусловлен высокоэффективной электронной аккомодацией энергии высоковозбужденных колебательных состояний, образованных при ионном ударе, в результате передачи колебательной энергии электрону на мелкой ловушке. Найдено, что отношение сечений электронного возбуждения “примесь-зона”, “зона-зона” для ZnS,CdS-Ag низкоэнергетическими ионами (<200 еВ) больше 10⁵ и было таким же, как в теоретических расчетах. Показано, что колебательно-электронный механизм в возбуждении ИЛ ZnS,CdS-Ag ионами действует при энергиях ионов 12-200 эВ. При более высоких энергиях его вклад в интенсивность ИЛ уменьшается и при >500 эВ не наблюдается.

Построен механизм возбуждения ИФЭ низкоэнергетическими ионами в приближении молекулярно-диссоциативной модели, в котором впервые учтены процессы колебательно-электронной релаксации с участием электронных состояний в твердом теле. Найдено, что электронное возбуждение широкозонных твердых тел с системой мелких электронных ловушек УФ светом может приводить к уменьшению, а ИК светом - увеличению интенсивности ИФЭ и скорости ионного травления.

Разработан механизм ионостимулированной десорбции адсорбированных частиц с поверхности соединений A^IIB^VI, учитывающий их колебательное возбуждение, и в котором впервые введены процессы релаксации колебательно-возбужденных адмолекул по высокоэффективному электронному каналу. Найдено, что с помощью УФ и ИК возбуждения можно управлять скоростью ионостимулированной десорбции.

Ключевые слова: ионолюминесценция, ионно-фотонная эмиссия, ZnS,CdS-Ag, широкозонное твердое тело, ионное распыление, ионостимулированная десорбция, низкоэнергетический пучок ионов.

Summary

Grankin D.V. Ionoluminescence of wide-band solids in metastable state.- Manuscript.

Thesis for a competition of candidate sciences degree in physics and mathematics, speciality 01.04.07 - solid state physics. - Donetsk Institute of Physics and Engineering named after O.O. Galkin, National Academy of Sciences of Ukraine, Donetsk, 2006.

Thesis deals with investigation of electronic effects, which is appearing at low-energy ions interaction (~ 100 eV) with the surface of wide-band solids, and with modeling and experimental research of ionoluminescence (IL) and ion-photon emission in the field of low-energy ions. It was shown that IL excitation can occurs as a result of vibrational-electronic excitation of highly excited in ion impact vibrational excitations. The stage model and the micromechanism of IL of two-component wide-band solids (including solids with adsorbed particles) in the field of low-energy ions (5-200 eV) as approximation of multi-quantum vibrational-electronic transition were developed. The effect of tenfold increasing of IL intensity, which is excited with low-energy ions , at UV light irradiation of ZnS,CdS-Ag sample, was found. It was shown, that the vibrational-electronic mechanism in IL excitation of ZnS,CdS-Ag with ions, works at ions energy range 12-200 eV.

Keywords: ionoluminescence, ion-photon emission, ZnS,CdS-Ag, wide-band solid, ion sputtering, ion-stimulated desorption, low-energy ion beam.

Размещено на Allbest.ru