Импульсная катодолюминесценция. Схема энергетических зон, локальных уровней и оптических переходов в кристалле, страница 2

Импульсная катодолюминесценция, по существу, является нестационарной модификацией катодолюминесценции. Она возбуждается при облучении вещества электронными пучками с энергией электронов свыше 100 кэВ. Глубина проникновения таких электронов в вещество плотностью 3-5 г/см³ составляет несколько десятков даже сотен микрометров. Возникающие на такой глубине вторичные электроны не могут достигнуть поверхности и покинуть облучаемый образец. Поэтому на облучаемой поверхности образца-диэлектрика, находящегося в вакууме, создается отрицательный заряд, нарастающий по экспоненциальному закону:

,                                           (1)

где q₀ – полный заряд электронов пучка, t_v = RC – характерное время заряда емкости  облучаемой поверхности радиуса r₀, R – внутреннее электрическое сопротивление генератора электронов: , U₀ и i_e0 – ускоряющее напряжение и максимальный ток электронов. К моменту времени, приблизительно равному 3t_v, отрицательный потенциал на поверхности образца достигает величины ускоряющего потенциала и электронный пучок запирается, т.е. не проходит на образец. Величина этого времени при плотности электронного тока порядка 100 А/см² составляет несколько наносекунд. Т.е. при облучении образцов-диэлектриков в вакууме импульсная катодолюминесценция возбуждается в течение очень короткого промежутка времени в отсутствии динамического равновесия между числом инжектируемых в вещество электронов и покидающих его вторичных электронов. При облучении образцов в воздухе часть избыточного заряда на его поверхности нейтрализуется ионами воздуха. При заземлении образца за счет наведенной пучком электронов электропроводности часть заряда стекает на заземляющие конструкции. В этих двух случаях промежуток времени инжекции электронного пучка в образец существенно увеличивается.

Внутризонная электронная импульсная катодолюминесценция (рис.1, стрелка 1) была обнаружена Д.И. Вайсбурдом в 1972 году в щелочно-галоидных кристаллах. По физическим признакам обнаруженная люминесценция разительно отличалась от ранее известных видов, поэтому сначала была названа плазменной радиолюминесценцией. Ее спектр представляет собой гладкую кривую (рис.2а), ограниченную с коротковолновой стороны краем фундаментального поглощения. Слабовыраженные особенности спектра обусловлены экситонным излучением и абсорбцией света центрами окраски. С ростом температуры в интервале 77-970 К экситонная люминесценция постепенно исчезает, многократно уменьшается абсорбция света центрами окраски и сдвигается край фундаментального поглощения в длинноволновую сторону. При этом спектральный выход люминесценции в области прозрачности кристалла, поликристалла и расплава не меняется. В остальном спектр не зависит от структурных дефектов. Интенсивность люминесценции пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар.

Рис. 2. Спектры внутризонной электронной (а) и дырочной (б) люминесценции щелочно-галоидных кристаллов.

Экспериментально показано, что время послесвечения электронной внутризонной люминесценции не больше 10 ^-12 с, а средний квантовый выход – число фотонов, отнесенное к энергии образования одной электронно-дырочной пары, составляет           5×10^-5 эВ^-1. Относительно низкий квантовый выход обусловлен сильной конкуренцией безызлучательных процессов релаксации энергии «горячих» электронов во взаимодействиях с фононами. Внутризонная дырочная люминесценция (стрелка 2 на рис.1) оказалась в 20-50 раз слабее электронной (рис.2б). Позже в щелочногалоидных кристаллах и в галоидных кристаллах щелочноземельных элементов были обнаружены межзонные электронная и дырочная люминесценции (рис.1, стрелки 4 и 5).

Исследование структурно-чувствительной и внутрицентровой ИКЛ, впервые проведенные в Институте электрофизики УрО РАН обнаружили новый физический вид излучение – примесное рекомбинационное излучение, возникающее в результате излучательного захвата электронно-дырочных пар центрами люминесценции (ЦЛ). Кроме того, были обнаружены существенные отличия спектральных, энергетических и кинетических параметров ИКЛ от соответствующих параметров люминесценции, возбуждаемой другими известными способами. Наиболее важными из них являются следующие: 1) высокая яркость особенно внутрицентрового излучения, 2) свечение слоя вещества большой толщины – 1-1,5 мм, 3) проявление тонкой структуры в полосах краевого и внутрицентрового излучения при комнатной температуре образцов, 4) специфическая кинетика всех видов излучения и 5) широкий диапазон содержания ЦЛ, внутри которого возбуждается внутрицентровая люминесценция.