Импульсная катодолюминесценция. Схема энергетических зон, локальных уровней и оптических переходов в кристалле

Лекция 14.

ИМПУЛЬСНАЯ КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

На предыдущих лекциях при рассмотрении особенностей люминесценции, классифицируемой как по физическому признаку, так и по виду ее возбуждения мы ограничивались представлением кристаллических зон их границами: потолком валентной зоны E_v и дном зоны проводимости E_c. Такое ограничение правомочно для тех видов возбуждения, которые мы рассмотрели ранее. Действительно, концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, образующихся за счет ионизации вещества источником возбуждения люминесценции, из-за относительно низкой плотности мощности возбуждения не велика. Хотя при ионизации эти электроны и дырки могут попадать на любые уровни кристаллических зон, но они быстро термолизуются, т.е. электроны «опускаются» на дно зоны проводимости, а дырки «поднимаются» к потолку валентной зоны. Характерное время этого процесса составляет t_ee »10^-14 с, и оно много меньше характерных времен излучательных процессов t_r » 10^-8 с.

В более общем случае энергетическая структура реального твердого тела диэлектрика и возможные оптические переходы приведены на рис.1. На схеме учтено, что валентная зона и зона проводимости могут состоять из двух и более подзон (на схеме указано по две подзоны), разделенных локальными зонами запрещенных энергий. Такая ситуация может возникать за счет спин-орбитального взаимодействия или в том случае, когда зоны образуют электроны атомов разного типа. Линиями в зонах обозначены энергетические уровни, количество которых в каждой зоне равно 2N. N – число обобществленных электронов в кристалле. Между валентной зоной и зоной проводимости располагается основная запрещенная зона шириной , в которой располагаются локальные уровни экситонов, доноров, акцепторов и центров люминесценции.

Как видно из схемы, между энергетическими зонами и локальными уровнями возможны оптические переходы разного типа (рис.1). В соответствии с ними люминесценцию классифицируют еще на три физических типа - это фундаментальная, структурно-чувствительная и внутрицентровая. К фундаментальной относится люминесценция, которая возникает на оптических переходах между энергетическими уровнями кристаллических зон (рис.1, стрелки 1-5, 11-12). Структурно-чувствительная люминесценция возникает на оптических переходах между кристаллическими зонами и локальными уровнями структурных дефектов (рис. 1, стрелки 6-9), а внутрицентровая - на переходах между локальными уровнями центра

Рис.1 Схема энергетических зон, локальных уровней и оптических переходов в кристалле.

люминесценции без прямого участия кристаллических зон (рис.1, стрелка 10). В свою очередь, фундаментальная люминесценция включает в себя (в соответствии со стрелками рис.1): внутризонную электронную 1, внутризонную дырочную 2, рекомбинационную 3, межзонную рекомбинационную 12, межзонную электронную 4, межзонную дырочную 5 и экситонную 11. Рассмотренными нами методами возбуждения возбуждаются структурно-чувствительная и внутрицентровая люминесценция, а из фундаментальной – только два вида – рекомбинационная 3 и экситонная 11 люминесценция. Для возбуждения остальных видов фундаментальной люминесценции необходима более высокая плотность мощности ионизации – такая, чтобы на фоне быстрых безызлучательных переходов электронов и дырок внутри соответствующих кристаллических зон стали заметными излучательные переходы. Для этой цели наиболее подходящими являются сильноточные электронные пучки с плотностью пиковой мощности более 1 МВт/см². Люминесценция, возбуждаемая такими пучками, называется импульсной катодолюминесценцией (ИКЛ).

Такие электронные пучки для возбуждения фундаментальной люминесценции впервые были применены Д.И. Вайсбурдом в 1972 году. При таком воздействии в веществе-диэлектрике образуется электронно-дырочная плазма с концентрацией электронно-дырочных пар (эдп) на уровне n_eh = 10¹⁸ – 10²⁰ см^-3. Во время существования этой плазмы электропроводность диэлектриков повышается в 10¹¹¸10¹⁵ раз до 10^-5¸10^-1 (Ом·см)^-1 и становится сравнимой с электропроводностью металлических сплавов. Кроме того, наличие плазмы способствует хрупкому разрушению щелочно-галоидных кристаллов. Электронно-дырочная плазма является диссипативной системой. Она находится в контакте с двумя системами, обеспечивающими источник и сток энергии и частиц. Главным источником частиц и энергии являются первичные и вторичные электроны с энергией больше E_D » E_g (рис.1). Сток частиц из плазмы осуществляется посредством электрического тока на заземленные конструкции, с которыми контактирует облучаемое вещество, нейтрализации током положительных ионов окружающего газа, захвата частиц ловушками и за счет рекомбинации противоположно заряженных частиц. Сток (релаксация) энергии осуществляется посредством излучения фотонов, генерации фононов, образования центров окраски и других дефектов. У электронно-дырочной плазмы нет равновесных состояний, поэтому после отключения источника она быстро распадается.