Свойства ионных кристаллов при высоких плотностях ионизации

• Автор: Вайсбурд, Давид Израйлевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1983
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 280 c. : ил

Диссертация обобщает результаты первого систематического исследования свойств ионных диэлектриков при импульсном облучении плотными пучками электронов.
Экспериментальную часть работы автор выполнил в 1967-81гг. с группой аспирантов в Томском политехническом институте и Институте сильноточной электроники Сибирского отделения АН СССР.
Исследование относится к физике радиационных воздействий на твердые тела, которая изучает изменение их свойств под влиянием ядерных излучений. Эта область интенсивно развивается последние 30 лет в связи с потребностями ядерной энергетики, ускорительной техники и использованием ядерных излучений в технологии, для неразрушающего контроля, в химии, биологии и медицине. До 1965 года использовали источники низкой интенсивности: реакторы, изотопы, электронные и ионные ускорители с плотностью тока пучка меньше 0,1 А/см2. Даже в единичных экспериментах мощность дозы не превосходила 1000 Мрад/с, то есть ТО4 Вт/г.

Это была физика слабых радиационных воздействий.

Мощные источники ионизирующих излучений - лазеры [I] и электронные сильноточные ускорители [2, 3, 4] - созданы в 60-х годах. Вслед за этим началось изучение свойств твердых тел при больших мощностях дозы ТО7- ТО*3 Вт/г. Возникла физика мощных радиационных воздействий. В 1960 году был изготовлен первый лазер (на рубине). Энергия фотона оказалась больше, чем ширина энергетической щели многих полупроводников. Поэтому первые исследования выполнены на полупроводниках. В 1966 году Хейнс, освещая кремний мощным потоком лазерного света, обнаружил уши-рение и сдвиг полосы экситонной люминесценции [б], Он думал,что

наблюдает люминесценцию биэкситонов*. Б 1968г. Асиин и Рогачев обнаружили скачкообразное увеличение проводимости германия при больших плотностях экситонов и предположили, что наблюдают фазовый переход "диэлектрик - металл" в системе экситонов [7].
Эти явления правильно объяснил Л.В.Кедцыш. В 1968г. он впервые показал, что газ экситонов большой плотности способен совершить фазовый переход в электронно-дырочную конденсированную фазу [8]. Келдыш удивительно точно предсказал свойства электронно-дырочных капель (ЭДК) в ковалентных полупроводниках - германии и кремнии [8-ю]. Последующие экспериментальные исследования подтвердили эти предсказания. Сжижение экситонов в ЭДК в германии и кремнии обнаружено в работах [11-14]. Теперь их свойства хорошо изучены и продолжают изучаться во многих лабораториях мира. Таким образом, исследование высоких плотностей электронных возбуждений в ковалентных полупроводниках привело к одному из самых значительных открытий 60-70гг. - обнаружению фазового перехода газа экситонов в ЭД жидкость.
В то Бремя не было мощных УФ лазеров с энергией фотона больше, чем ширина энергетической щели диэлектриков. Соответствующие исследования на ионных кристаллах начались после того, как появились электронные сильноточные ускорители с токами пучка 10-10 А. Их действие основано на том, что в сверхсильном электрическом поле резко возрастает автоэмиссия с металлического острия и переходит во взрывную [15-18] . Исследование автовзрывной эмиссии сыграло выдающуюся роль в развитии ускорительной техники. Токи электронов с энергией 0,1-10 МэВ возросли сразу в Ю6 раз [19-21]

* Представление об экситонных молекулах - биэкситонах ввел Москаленко [б].

Изучение свойств диэлектриков при импульсном облучении плотными пучками электронов начали одновременно в 1970г. М.Уета с сотрудниками в Сендайе (Япония) и наша группа в Томске. Первые публикации появились в июле и мае 1972г. [22,23]. Японская группа исследовала возникновение и распад дефектов Френкеля в щелочногалоидных кристаллах (ЩГК) под действием коротких импульсов электронного облучения. До 1970г. экспериментировали на слаботочных ускорителях типа " ЬшаС"{60 МэВ, 30 не, 1,2 А) [24,25] . В 1970-71гг., используя американский сильноточный ускоритель
"ГдбвТГОП-706" (7000 А; 0,4-0,6 МэВ; 3 не), сразу увеличили

плотность ионизации в 10 -10 раз и достигнув мощности дозы Ю9 Вт/г, получили ценные результаты. Они прямо показали, что каждая ЭД пара способна создать в бездефектном кристалле пару дефектов Френкеля за очень короткое время. Эти результаты сильно ускорили выяснение механизма образования элементарных дефектов в ионных кристаллах под действием ионизирующих излучений.
Направление наших исследований было совершенно другим. ЦЕЛЬ РАБОТЫ - всестороннее изучение состояний ионных диэлектриков при высоких плотностях ионизации. Такие состояния возникают при
1) электрическом пробое,
2) в треках тяжелых заряженных частиц,
3) инжекшш электронов и дырок ъ р-П -переход,
4) импульсном освещении мощным лазером,
5) импульсном облучении плотным электронным или рентгеновским пучком.
Понимание того, что происходит в этих ситуациях, требуется во многих областях прикладной физики и электронной техники. Ранее мы исследовали структуру треков протонов и альфа-частии в ионных кристаллах [26-28]. Учитывая трековый эффект, можно построить

РИС. 1.8. Типичная конфигурационная диаграмма основного и возбужденного уровней центра люминесценции. Возможны три вида переходов ениз: I - излунательный,
2 - туннельный, 3 - термоактивируемый, 4 - переход вверх в зону проводимости
Рис. 1.9. Температурные зависимости интенсивности плазменной люминесценции: I - в точке 2,5 эВ;
2-3,5 эВ; 3-4,5 эВ - и люминесценции автолокализован-ных экситонов: 4 - в максимуме синглетной полосы. Стрелкой показана точка плавления 959 К, нике этой температуры -монокристалл, выше - расплав КГ