Дослідження електронно-стимульованих явищ у кріокристалах інертних елементів Ne та Xe, опромінених іонізуючим випромінюванням. Механізм релаксації у системі локалізованих заряджених часток, на основі випромінювальної рекомбінації домішкових атомів.
Аннотация к работе
Цим пояснюється незгасний інтерес дослідників, працюючих у різноманітних галузях науки та техніки, до механізмів складної сукупності процесів, стимульованих взаємодією цих випромінювань з речовиною. Крім того, в атомарних кріокристалах спостерігаються ярко виражені ефекти автолокалізації електронних збуджень, що особливо суттєво з точки зору ефективності електронно-стимульованих процесів. Частина роботи виконана в рамках міжнародних проектів: - Deutsche Forschungsgemeinschaft "Solvation effects and electron-driven processes" GZ: 436 113/31/0-3. Мета і задачі дослідження: полягає у виявленні механізмів енергетичної та структурної релаксації в атомарних кріокристалах Ne та Xe з великою концентрацією електронів, локалізованих на дефектах (заморожена плазма). The 15-th International Conference on Defects in Insulating Materials ICDIM-2004, Riga, Latvia, 11.07 - 16.07.2004; Fifth International Conference on Low Temperature Chemistry (LTC5), Berlin-Dahlem, Germany, 7.09-10.09.2004; V International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals (CC-2004), 29.08-04.09.2004, Wroclaw, Poland; Міжнародна конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики "Еврика-2004" (Eureka-2004), Львів, 19-21 травня 2004 р. ; Конференція молодих вчених "Фізика низьких температур (КМВ-ФНТ-2005)", Харків (Україна), 24-26 травня 2005р. ; International Conference on the Elementary Processes in Atomic Systems, Miskolc (Hungary), 31.08-02.09.2005; XVII Intrenational School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals", Beregove, Crimea, Ukraine, 20.09.-26.09.2005; European Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LUMDETR 2006), Lviv, Ukraine, 11.03-15.03.2004; VI-th International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals (CC-2006), 3.09-07.09.2006, Kharkov, Ukraine; International Conference on Desorption induced by electronic transitions (DIET11), Berlin, Germany, 11.03-15.03.2007; 7-th International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals (CC-2008), 31.07-05.08.2008, Wroclaw, Poland;У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, сформульовано мету дисертаційної роботи та задачі, які потрібно вирішити для її досягнення, показано наукову новизну отриманих результатів, а також їх наукове і практичне значення, висвітлено загальну структуру дисертаційної роботи. Було виявлено екситонно-стимульоване утворення та накопичування дефектів кристалічної ґратки під час опромінення електронами з енергією не достатньою для утворення стабільних точкових дефектів по ударному механізму та при селективному збудженні екситонів. Основна увага дослідників була зосереджена на вивченні процесів, які відбуваються у кріокристалах інертних елементів під час опромінення, а релаксаційні процеси, які відбуваються після припинення збудження - "пострадіаційні", систематично не досліджувались. Такий вибір було зроблено з наступних причин: по-перше, електронно-стимульоване дефектоутворення та десорбція були виявлені в обох речовинах, але механізми протікання цих процесів різні, а саме, в твердому неоні - шляхом автолокалізації екситонів у атомарні стани, а в твердому ксеноні - шляхом автолокалізації екситонів у молекулярні стани; Основними методами дослідження були катодолюмінесцентна та фотолюмінесцентна спектроскопія у поєднанні з комплексом методів активаційної спектроскопії, які дозволяють одночасно контролювати кілька каналів релаксації у кріокристалах, а саме - термолюмінесцентна спектроскопія, вимірювання термо-и фотостимульованої екзоелектронної емісії, а також реєстрація десорбції нейтральних атомів.Необхідно відмітити, що в твердому неоні відсутній барєр для виходу електронів з поверхні кристалу у вакуум в звязку з негативною спорідненістю до електрону. З метою визначення товщини активного шару ТСЕЕ (глибина зразку, з якої електрони можуть досягати поверхні кристалу та виходити у вакуум, було проведено експерименти по вимірюванню ТСЕЕ для зразків твердого неону різної товщини. Було встановлено кореляцію максимумів на кривих ТСЛ та ТСЕЕ, які відповідають електронно-стимульованим дефектам (максимуми при Т=10,5 К на рис. Було досліджено електронно-стимульовані дефекти структури в твердому неоні, опроміненому електронами з енергіями нижче порога утворення структурного дефекту по ударному механізму. Завдяки порівнянню отриманих експериментальних даних з результатами теоретичних розрахунків роботи [5] було визначено атомну конфігурацію електронно-стимульованих дефектів, які утворюються в твердому Ne по механізму автолокалізації екситонів у стани атомарного типу (рис.Вперше встановлено, що в атомарних кріокристалах можливо створювати заморожену плазму з великою концентрацією локалізованих електронів ~1016 см-3. Виявлено новий механізм релаксації у системі локалізованих заряджених часток, в основі якого лежить рекомбінація домішкових атомів з випромінюванням фотонів видимого діапазону (h?~1 EV).
План
Основний зміст дисертації
Вывод
1. Вперше встановлено, що в атомарних кріокристалах можливо створювати заморожену плазму з великою концентрацією локалізованих електронів ~1016 см-3. Виявлено термостимульовану екзоелектронну емісію з кріокристалів Ne та Xe.
2. Вперше зареєстровано фотостимульовану екзоелектронну емісію (зовнішній фотоефект) з попередньо опромінених зарядовими частками кріокристалів Xe та Ne.
3. Виявлено новий механізм релаксації у системі локалізованих заряджених часток, в основі якого лежить рекомбінація домішкових атомів з випромінюванням фотонів видимого діапазону (h?~1 EV). Встановлено, що це світло переводить електрони до зони провідності (внутрішній фотоефект) та стимулює електрон-діркову рекомбінацію з випромінюванням світла у ВУФ діапазоні (h?~10 EV) (перетворення світа з підвищенням частоти).
4. Виявлено ефект аномально сильної низькотемпературної "пост-десорбції" атомів та запропоновано двустадійний механізм цього явища при нагріві зразків: (i) звільнення електронів з пасток, (ii) електрон-діркова рекомбінація з появою атомів з кінетичною енергією, достатньою для їх десорбції.
5. Визначено положення енергетичних рівней електронно-стимульованих точкових структурних дефектів у твердому Ne (~20 MEV) і твердому Xe (~40 MEV). Для твердого Ne встановлена атомна конфігурація електронно-стимульованих пар Френкеля.
Список литературы
1. Khyzhniy I.V. Activation spectroscopy of solid Ne / I.V. Khyzhniy, O.N. Grigorashchenko, A.N. Ogurtsov, E.V. Savchenko, M. Frankowski, A.M. Smith-Gicklhorn, V.E. Bondybey // Proceedings of XVI International Conference on Spectroscopy of Molecules and Crystals, SPIE - 2004. - Vol. 5507, - P. 235-241.
2. Grigorashchenko O.N. Activation spectroscopy of electronically induced defects in solid Ne/ O.N. Grigorashchenko, V.V. Rudenkov, I.V. Khyzhniy, E.V. Savchenko, M. Frankowski, A.M. Smith-Gicklhorn, M.K. Beyer, V.E. Bondybey // Low Temperature Physics. - 2003. - Vol. 29, № 9/10, - P. 1147-1151.
3. Savchenko E.V. Anomalous low temperature desorption from preirradiated rare gas solids / E.V. Savchenko, G.B. Gumenchuk, E.M. Yurtaeva, A.G. Belov, I.V. Khyzhniy, M. Frankowski, M.K. Beyer, A.M. Smith-Gicklhorn, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // J. of Luminescence. - 2005. - Vol.112, - P. 101-104.
4. Savchenko E.V. Creation of permanent lattice defects via exciton self-trapping into molecular states in Xe matrix/ E.V. Savchenko, A.N. Ogurtsov, I.V. Khyzhniy, G. Stryganyuk, G. Zimmerer // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2005. - Vol.7, - P. 785-790.
5. Khyzhniy I.V. Electron traps in solid Xe/ I.V. Khyzhniy, S. A. Uyutnov, E.V. Savchenko, G.B. Gumenchuk, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // Fiz. Nizk. Temp. - 2009. - Vol.35, №4. - P. 433-437.
6. Savchenko E.V. Relaxation channels and transfer of energy stored by preirradiated rare gas solids/ E.V. Savchenko, I.V. Khyzhniy, G.B. Gumenchuk, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // Fiz. Nizk. Temp. - 2009. - Vol.35, №5. - P. 520-523.
7. Khyzhniy I.V. Thermally stimulated exoelectron emission from solid Xe/ I.V. Khyzhniy, O. N. Grigorashchenko, A.N. Ponomaryov, E.V. Savchenko, V.E. Bondybey // Fiz. Nizk. Temp. - 2007. - Vol.33, №6/7. - P. 701-704.
8. Khyzhniy I.V. Activation spectroscopy of solid Ne / I.V. Khyzhniy, O.N. Grigorashchenko, A.N. Ogurtsov, E.V. Savchenko, M. Frankowski, A.M. Smith-Gicklhorn, V.E. Bondybey // Book of abstracts of XVI Intrenational School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals" - Sebastopol (Ukraine). - 2003. - C.56.
9. Khyzhniy I.V. Thermoluminescence of solid Ne / I.V. Khyzhniy, O.N. Grigorashchenko, A.N. Ogurtsov, E.V. Savchenko, M. Frankowski, A.M. Smith-Gicklhorn, V.E. Bondybey // Book of abstracts of "The 15-th International Conference on Defects in Insulating Materials" - Riga (Latvia). - 2004. - C.73.
10. Khyzhniy I.V. Electron trap-related low temperature relaxation in preirradiated Ne matrix / I.V. Khyzhniy, E.V. Savchenko, A.G. Belov, M. Frankowski, V.E. Bondybey, A.M. Smith-Gicklhorn // Book of abstracts of "The 5-th International Conference on Low Temperature Chemistry" - Berlin (Germany). - 2004. - C.83
11. Khyzhniy I.V. Electronic relaxation processes in Ne cryocrystals / I.V. Khyzhniy, O.N. Grigorashchenko, A.N. Ogurtsov, E.V. Savchenko, M. Frankowski, A.M. Smith-Gicklhorn, V.E. Bondybey // Book of abstracts of "International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals " - Wroclaw (Poland). - 2004.
12. Хижний І.В. Електронно-стимульовані дефекти у твердому Ne / І.В. Хижний, О.М. Огурцов, O.М. Григоращенко, О.В. Савченко, A.M. Smith-Gicklhorn, M. Frankowski, V.E. Bondybey // Тези міжнародної конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики "Еврика-2004" - Львів (Україна) - 2004. - С. 78
13. Хижный И.В. Электронные ловушки в твердом Ne / И.В. Хижный, Е.В. Савченко, А.Г. Белов, Е.М. Юртаева, O.Н. Григоращенко, M. Frankowski, V.E. Bondybey // Тези доповідей конференції молодих вчених "Фізика низьких температур" - Харків (Україна). - 2005. - C. 23
14. Savchenko E.V. Photo- and thermally stimulated relaxation processes in preirradiated atomic solids / E.V. Savchenko, I.V. Khyzhniy, G.B. Gumenchuk, A.N. Ponomaryov, M.K. Beyer, V.E. Bondybey, M. Frankowski // Book of abstracts of " International Conference on the Elementary Processes in Atomic Systems " - Miskolc (Hungary). - 2005.
15. Khyzhniy I.V. Spectroscopy of electron traps in solid Ne / I.V. Khyzhniy, E.V. Savchenko, A.G. Belov, E.M. Yurtaeva, O.N. Grigorashchenko, M.K. Beyer, A.N. Ponomaryov, M. Frankowski, V.E. Bondybey // Book of abstracts of the XVII-th Intrenational School-Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals" - Beregove, Crimea (Ukraine). - 2005. - C.104.
16. Savchenko E.V. Relaxation channels and transfer of energy stored by preirradiated rare gas solids / E.V. Savchenko, I.V. Khyzhniy, G.B. Gumenchuk, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // Book of abstracts of the" European Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation " - Lviv (Ukraine). - 2006. - C.124.
17. Khyzhniy I.V. Thermally stimulated exoelectron emission from solid Xe / I.V. Khyzhniy, G.B. Gumenchuk, O.N. Grigorashchenko, A.N. Ponomaryov, E.V. Savchenko, V.E. Bondybey // Book of abstracts of "International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals " - Kharkov (Ukraine). - 2006.
18. Ponomaryov A.N. Real-time monitoring of desorption and related processes in preirradiated RGS / A.N. Ponomaryov, E.V. Savchenko, G.B. Gumenchuk, I.V. Khyzhniy, V.E. Bondybey // Book of abstracts of " International Conference on Desorption induced by electronic transitions" - Berlin (Germany). - 2007.
19. Khyzhniy I.V. Electron traps in solid Xe / I.V. Khyzhniy, S.A. Uyutnov, E.V. Savchenko, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // Book of abstracts of "International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals " - Wroclaw (Poland). - 2008. - C.70.
20. Хижный И.В. Термостимулированные процессы в твердом ксеноне. / И.В. Хижный, С.А. Уютнов, Е.В. Савченко, А.Н. Пономарев, В. E. Бондибей // Тези конференції молодих вчених "Фізика низьких температур"- Харків (Україна). - 2009. - C.143.
21. Savchenko E.V. Relaxation processes in wide-gap cryogenic materials / E.V. Savchenko, I.V. Khyzhniy, S.A. Uyutnov, G.B. Gumenchuk, A.N. Ponomaryov, V.E. Bondybey // Book of abstracts of the" 7-th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation " - Krakow (Poland). - 2009. - C.122.
22. Khyzhniy I.V. Energy storage and transfer in rare gas solids / I.V. Khyzhniy, S.A. Uyutnov, E.V. Savchenko, A.N. Ponomaryov, G.B Gumenchuk., V.E. Bondybey // Book of abstracts of "International Conference on Physics of Optical Materialsand Devices" - Herceg Novi (Montenegro). - 2009. - C.33.
23. Savchenko E.V. Post-irradiation phenomena in atomic and molecular ices / E.V. Savchenko, I.V. Khyzhniy, S.A. Uyutnov, A.N. Ponomaryov, G.B. Gumenchuk, V.E. Bondybey // Book of abstracts of the" 24-th International Conference on Atomic Collisions in Solids " - Krakow (Poland). - 2010.
Список цитованої в авторефераті літератури
1. Manzhelii V.G. Physics of Cryocrystals / V.G. Manzhelii, Yu.A. Freiman - New
York: AIP Press, 1997. - 691 p.
2. Karasevskii A.I. Equations of state and thermodynamic properties of rare-gas solids under pressure calculated using a self-consistent statistical method / A.I. Karasevski, W.B. Holzapfel // Phys. Rev. B. - 2003. - Т. 67, - С. 224301- 224310
3. Song K.S. Self-trapped Excitons / K.S. Song, R.T. Williams - Berlin : Springer Verlag, 1996. - 404 p.
4. Vij D.R. Luminescence of Solids. - New York: Plenum Press, 1998. - 427 p.
5. Fu C. Lattice defect creation induced by exciton self-trapping in solid Ne / C. Fu, K.S. Song // J. Phys.: Condens Matter - 1997. - Т. 9, C. 9785-9797.
6. Нацик В.Д. Краудионы в атомарных криокристаллах и металлах с ГЦК и ОЦК решетками / В.Д. Нацик, С.Н. Смирнов, Е.И. Назаренко // ФНТ. - 2001. - Т.27, - С. 1295-1307.