Іонолюмінесценція широкозонних твердих тіл у метастабільному стані - Автореферат

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). 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 обємі 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 AIIBVI 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 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.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 обємі 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]. 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”. 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). Із збільшення інтенсивності ІЛ в 20 разів і співвідношення концентрацій електронів на пастках (вимірювалися за допомогою ТСЛ) і регулярних атомів: 20N0у = neye (ne = 1011 см-2с-1, N0 = 1015 см-2с-1) слідує, що ефективний переріз збудження електрона на пастці уе 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.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. 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. 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.

Основний зміст роботи

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 AIIBVI, що враховує їх коливальне збудження, і в якому вперше введені процеси релаксації коливально-збуджених адмолекул по високоефективному електронному каналу.

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 11th 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 9th 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 15й 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 9th 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 6й 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 6th 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 5th 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 17й Международной конференции Взаимодействие ионов с поверхностью. - Москва, Звенигород, 2005. - Т. 1. - С. 508-511.