Кінетика росту та оптичні прояви атомарних і вакансійних кластерів - Автореферат

З огляду на складний характер процесів росту кластерів, у попередніх публікаціях відсутня послідовна теорія кінетики росту кластерів, що враховує одночасну дію основних його механізмів. Цей пропуск усунуто у дисертаційній роботі, яка обєднує процеси росту атомарних кластерів у газовому струмені та вакансійних кластерів (пор) в опромінюваних кристалах. Кінетика росту кластерів та повязані з нею проблеми у теперішній час досліджуються в лабораторіях провідних наукових установ, наприклад: Фізико-технічний інститут низьких температур НАН України (Харків), Інститут експериментальної фізики Гамбурзького університету (Німеччина), Інститут експериментальної фізики EPFL (Швейцарія, Лозанна), лабораторія фізики твердого тіла Паризького університету (Франція). Мета дисертаційної роботи полягає у встановленні основних закономірностей кінетики росту атомарних кластерів у газовому струмені, що розширюється у вакуумі, та вакансійних кластерів у опромінюваних кристалах, а також оптичних прояв кластерів, повязаних з особливостями їх росту. Детальний механізм росту кластерів у струмені, що включає конденсацію газу на поверхні кластера та агрегації кластерів при їх зіткненнях, важливий для розуміння процесів зародження та росту кристалічної фази, повязаних з переходом від первісної ікосаедричної структури кластерів до періодичної структури при зростанні розміру кластера.Квазістаціонарний підхід використовує рівновагу в межах газу та кожного окремого кластера і враховує відхил від рівноваги між внутрішніми ступенями вільності кластерів і газом, причому температура кластера знижується з підвищенням температури газу. Рішення узгоджується з експериментом у діапазоні розмірів від 40 до 5000 атомів на кластер для аргону та криптону на абсолютній шкалі змінних. Встановлено, що вона в основному формується при зіткненнях між кластерами та має універсальний вид на відносній шкалі розмірів. Проаналізовано важливий емпіричний закон відповідних струменів: усі властивості струменю, що відносяться до кластерів, залежать від комбінації параметрів на вході до сопла P0-1T0n з n близьким до 5/2. У дисертації дано зясування цього закону: процес росту кластерів головним чином визначається ентропією газу, віднесеною до одного атома.

1. В рамках квазістаціонарного підходу сформульована система рівнянь, що описує ріст кластерів у газовому струмені, що розширюється. Квазістаціонарний підхід використовує рівновагу в межах газу та кожного окремого кластера і враховує відхил від рівноваги між внутрішніми ступенями вільності кластерів і газом, причому температура кластера знижується з підвищенням температури газу. Швидкість конденсаційного росту пропорціональна різниці температур кластера і газу.

2. Одержано рішення кінетичного рівняння росту кластерів, що включає механізми конденсації газу на поверхні кластерів та злиття кластерів при зіткненнях один з одним. Рішення узгоджується з експериментом у діапазоні розмірів від 40 до 5000 атомів на кластер для аргону та криптону на абсолютній шкалі змінних. Знайдені характеристики струменя - сумарна маса кластерів та їх середній розмір як функції відстані від сопла.

3. Одержана функція розподілу кластерів за розмірами. Встановлено, що вона в основному формується при зіткненнях між кластерами та має універсальний вид на відносній шкалі розмірів.

4. Проаналізовано важливий емпіричний закон відповідних струменів: усі властивості струменю, що відносяться до кластерів, залежать від комбінації параметрів на вході до сопла P0-1T0n з n близьким до 5/2. У дисертації дано зясування цього закону: процес росту кластерів головним чином визначається ентропією газу, віднесеною до одного атома.

5. Знайдено рішення рівняння Шредингера для екситонів у кластері заданого розміру з урахуванням зниження вузельного рівня екситона на поверхні. Встановлені розмірні залежності одержаного спектра: (а) Положення основних спектральних ліній слабо залежить від розміру кластера в широкому діапазоні розмірів. Цей висновок підтверджується експериментальними спектроскопічними даними.

(б) Внесок поверхневих екситонів у спектр поглинення визначається відношенням їх глибини проникання, що залежить від мікроскопічних параметрів речовини, до лінійного розміру кластера. Одержаний внесок поверхневих екситонів як функція розміру кластера кількісно узгоджується з експериментальними даними.

6. Розроблено квазістаціонарне наближення, що описує ріст вакансійних кластерів у кристалах під опроміненням з урахуванням дислокацій як стоків міжвузельних атомів. Одержано рішення відповідної системи рівнянь, що описує ріст пор з урахуванням руху дислокацій. Указано критерій застосовності квазістаціонарного підходу, заснованого на припущенні, що потоки часток встигають установитися за час, малий в порівнянні з часом росту пор.

7. Показано, що співвідношення між двовимірною густиною дислокацій ndis та густиною пор npore (точніше, ndis / npore2/3 ) виграє роль контролюючого фактора росту. В залежності від його величини ефективність росту вакансійних кластерів у реальному кристалі може варіюватися в діапазоні декількох порядків величини.

8. На площині густина дислокацій - густина пор установлені області різних режимів росту вакансійних кластерів. Існує область, у якій великі пори, що ростуть поблизу дислокацій, пригнічують ріст решти пор, що приводить до зменшення повної поверхні пор (область радіаційного відпалу).

9. Указана можливість контролювати число пор, що ростуть, попереднім опроміненням кристала з метою зниження чутливості його властивостей до опромінення.

10. Радіаційно-стимульований ріст вакансійних кластерів, з урахуванням установлених його властивостей, якісно зясовує літературні експериментальні дані про поведінку кристалів під опромінюванням: (а) У процесі опромінювання кристалів інертних елементів посилюється смуга люмінесценції, повязана з локалізацією екситонів на вільній поверхні. Цю поверхню слід ототожнити з поверхнею пор, що ростуть під опромінюванням.

(б) Згідно з літературними експериментальними даними, у кристалах інертних элементів легкі електрони провідності захоплюються радіаційними дефектами. Ці дефекти можуть бути ототожнені лише з досить великими кластерами вакансій.

(в) Радіаційно-стимульовані зміни люмінесцентних властивостей лужно- -галоїдних кристалів у великій мірі зумовлені ростом вакансійних кластерів (пор) під опромінюванням. Суттєва роль вакансійних кластерів у релаксаційних процесах в області порівняно невеликих доз і відповідно низьких концентрацій кластерів зясовується дуже великим перетином захоплення екситонів на заряджених центрах, роль яких можуть грати радіаційно-стимульовані пори, що захопили електрон або дірку.

11. Експериментальні дозові залежності світлового виходу несуть інформацію про режим росту пор, що визначається співвідношенням густин дислокацій та пор. Дозова поведінка світлового виходу деяких зразків CSI(Tl) свідчить про ріст пор у режимі радіаційного відпалу.

12. Процес росту атомарних кластерів в газовому струмені, що розширюється, та радіаційно-стимульований ріст вакансійних кластерів у кристалах, незважаючи на відмінність механізмів та середовищ, мають суттєві загальні риси: (а) Час росту кластерів значно перевищує час установлення квазірівноваги (умова квазістаціонарності).

(б) Існує контролюючий фактор росту: для атомарних кластерів - ентропія газу, для вакансійних кластерів - співвідношення між двовимірною густиною дислокацій та густиною пор.

(в) Число кластерів визначається на початковій стадії росту: для атомарних кластерів - тиском і температурою газу на вході до сопла, для вакансійних кластерів - числом первісних пор.

(г) Механізм перерозподілу сумарного обєму на користь більш крупних кластерів: для атомарних кластерів - злиття при зіткненнях, для вакансійних кластерів - приєднання міжвузельних атомів переважно до малих кластерів, що знаходяться удалині від дислокацій.

(д) Спектроскопічні прояви кластерів: нова екситонна смуга у спектрі поглинення; люмінесценція автолокалізованих екситонів, захоплених на поверхні; захоплення електронів кластером, що впливає на релаксаційні процеси. кінетичний атомарний кластер оптичний

Ratner M.A., Verkhovtseva E.T., Ratner A.M. Size Phenomena of Electronic Spectra of Rare-Gas Clusters // Journal of Luminescence.- 1996.- V. 68, N 5.- P. 255-264.

Globus M.E., Grinyov B.V., Ratner M.A. Effect of Large Gamma-Irradiation Doses on Conversion Efficiency and Light Output of CSI(Tl) Scintillators // IEEE Trans. Nucl. Sci.- 1997.- V. 44, N 3.- P. 854-856.

Ratner M.A. Kinetics of Cluster Growth in Expanding Rare-Gas Jet // Физика низких температур 1999.- Т. 25, N 4.- С. 367-375.

Ratner M., Harbich W., Fedrigo S. Fragmentation and recombination of copper dimers deposited on Ar film // Physical Review B.- 1999.- V. 60, N 16.- P. 11730-11733.

Ratner M.A., Grinyov B.V. Effect of dislocations on radiation hardness of scintillation crystals // Functional Materials.- 1999.-V. 6, N 4.- Р. 754-759.

Ratner M., Grinyov B. Exciton-induced lattice processes and their back action on exciton dynamics in alkali-halide crystals // Journal of Luminescence. - 2000. - V. 87- 89.- P. 1240-1242.

Globus M., Grinyov B., Ratner M. Effect of irradiation-induced micropores on fluorescence yield and radiation hardness of alkali-halide scintillation crystals, in:“Hard X-Ray and Gamma-Ray Detector Physics and Applications” ed. F.P. Doty and R.B. Hoover // Proceedings of SPIE .-1998.- V. 3446.- P. 242-246.

Ratner M.A., Verkhovtseva E.T. Size Phenomena in Excitonic Spectra of Rare-Gas Clusters // Тези допівідей Міжнародної наук. конф. присвяченої 150-річчю І. Пулюя.- Львів.- 1995.- C. 188.

Размещено на .ru