Спектры кросслюминесценции в приближении сильной связи

• Автор: Баум, Ольга Игоревна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время спектроскопия твердого тела представляет собой одну из интереснейших областей современной физики, так как сочетает в себе и достаточно давно установленные феноменологические законы и, в то же время, широкий круг относительно мало изученных проблем, в частности, касающихся спектров взаимодействия света с веществом, а также - спектров свечения самого вещества.
Работа посвящена исследованию кросслюмииесценции широкозонных диэлектриков, которая связана с излучательными переходами дырки из остовной зоны в валентную.
Одним из методов изучения взаимодейсЛия излучения с конденсированным

состоянием вещества является метод люмшЕесцентной спектроскопии. Изучение спектральных, температурных и кинетических свойств люминесценции твердых тел позволяет получать информацию о поведении электронных возбуждений, их релаксации и локализации, о переносе поглощенной энергии излучения, миграции, рассеянии и т. д.
Спектроскопические исследования показали, что многие из широкощелевых ионных кристаллов могут применяться в качестве как оптических материалов для ВУФ области спектра, так и люминесцентных материалов. Их люминесценция возбуждается и при взаимодействии с ионизирующим излучением, то есть они могут использоваться в качестве сцинтилляторов. Некоторые из этих кристаллов имеют быструю компоненту собственного свечения при высокоэнергетическом возбуждении.
Свойства, требуемые от сцинтилляторов, определяются особенностями областей, в которых они применяются. Их основными свойствами являются: квантовый выход, время затухания люминесценции, эффективный атомный номер, плотность, спектр свечения и радиационная стойкость. Как правило, желателен высокий квантовый

выход. Атомный номер и плотность играют роль в тех случаях, когда размеры детекторов ограничены. В ряде применений также важно быстрое (порядка нескольких наносекунд) затухание свечения и низкий уровень послесвечения.
В настоящее время одним из кристаллов, удовлетворяющих перечисленным требованиям, является ВаРг, имеющий практическое применение. И, хотя квантовый выход у него относительно небольшой, но у него очень быстрая люминесценция (время затухания порядка 0.8-1 не).
Этому сцинтиллятору присуща уникальная способность — чувствительность к виду возбуждения. Он по-разному реагирует на возбуждение легкими частицами, например электронами, и тяжелыми, такими как а-частицы, для которых быстрая компонента люминесценции в спектре свечения полностью пропадает, из чего можно сделать вывод, что в последнем случае процесс свечения связан не с кросслюминесценцией, а с автолокализованными экситонами.
В подобных сцинтилляторах большое значение имеют переходы между высоколежащими возбужденными состояниями, которые происходят при возбуждении вещества квантами с энергиями, значительно больше порога фундаментального поглощения. Этот процесс отличается от механизмов люминесценции других веществ и вызывает повышенный интерес к рассматриваемым в данной работе материалам. Одно из привлекательных свойств подобных щелочногалоидных кристаллов — их коротковолновый спектр свечения, что дает большие перспективы их применения в областях ВУФ-спектроскопии. Таким образом, одной из актуальных проблем является расчет спектров кросслюминесценции щелочногалоидных кристаллов с большой шириной запрещенной зоны.
Для ряда ионных кристаллов, состоящих из тяжелых катионов и легких анионов, распад Оже дырок из наиболее высоколежащих остовных уровней энергетически запрещен, и остовные дырки переходят в валентное состояние путем испускания
ультрафиолетового излучения со временем жизни порядка 1нс. Этот излучательный процесс и называется кросслюминесценцией или остовно-валентными излучательными переходами. Иначе этот процесс может быть охарактеризован как переход электрона из валентной зоны, образованной р-состояниями ионов галогена, в верхнюю катионную остовную зону (р-сосгояния ионов металла), в которой ранее, под воздействием ионизирующего излучения, были созданы дырочные состояния.
Наличие "сильного" излучательного канала распада такого же типа, как в ВаР?., можно ожидать и в других ионных кристаллах с достаточно низкой энергией ионизации катионов ЕЁС, для которых ширина зоны запрещенных энергий Е„ превышает энергетическое расстояние между потолками анионной и катионной зон.
К настоящему моменту показано, что кросслюминесценция наблюдается в небольшом числе бинарных кристаллов (ВаГ-б, СбР, СбС1, СбВг, КЬР, КЕ и, возможно, в ШэС1) и в большом количестве многокомпонентных соединений, синтезированных на основе этих бинарных кристаллов (СэСаСЬ, К1УЕз, КУТ4 и т. д.).
Хотя в исследованиях люминесцентных свойств широкощелевых кристаллов были достигнуты определенные успехи, многие процессы, формирующие спектральные характеристики, квантовый выход и кинетику люминесценции, до сих пор остаются неизученными.
К сожалению, до настоящего времени нет полной ясности в вопросах, касающихся деталей формирования спектров кросслюминесценции. Еще не выяснено, обусловлены ли они переходами между свободными состояниями носителей зарядов, или между локализованными. Попытка ответить на данные вопросы с помощью рассмотрения нескольких наиболее вероятных моделей, описывающих кросслюминесценцию, и составляла цель настоящей работы.
В предшествующих работах по кросслюминесценции были представлены различные методы расчета спектров, однако эти расчеты не позволяют проследить на
§ 1.2 Применение теории групп и квантовой механики
при расчете спектров кросслюминесценции. Приближение "сильной связи".
1.2.1 О приближениях, используемых при теоретических
расчетах спектров кросслюминесценции.
Твердые тела состоят из огромного числа частиц поэтому возможно только приближенное квантовомеханическое описание таких систем [1-3]. По мере развития зонных подходов изучения энергетической структуры кристаллов становилось ясно, что полная симметрия пространственной группы является основной особенностью, которая определяет структуру энергетических уровней. Последние образуют основу, которая заполняется имеющимися электронами, и этим определяются все основные свойства данного вещества [1]. При этом, соображения симметрии часто позволяют понять некоторые основные тенденции, существующие в кристаллах с данным типом решетки и приводят к качественным заключениям о возможной последовательности энергетических уровней в кристалле.
Применение теории групп к физическим системам основано на том, что преобразования симметрии удовлетворяют теории групп [66]. Изучение групп симметрии [60, 68] атомов и молекул существенно для понимания связи между симметрией кристалла как целого и образующих его атомов или молекул [62-67].
Кристалл можно рассматривать как ансамбль взаимодействующих электронов и ядер. Но для такой задачи невозможно найти собственные функции Гамильтониана. Для нахождения решения секулярного уравнения необходимо ввести некоторые упрощения. Первым шагом такого рода является адиабатическое приближение.
Рассматривается система, состоящая из ядер и электронов. Так как масса ядер
более чем на три порядка отличается от массы электронов, то в нулевом приближении