Импульсная катодолюминесценция. Схема энергетических зон, локальных уровней и оптических переходов в кристалле, страница 3

Сравнение интенсивностей внутрицентровой люминесценции (I_икл), возбуждаемой электронным пучком с E₀ = 180 кэВ, j_e = 700 А/см² и t_e = 2 нс при комнатной температуре образцов, и рентгенолюминесценции (I_рл) тех же, но охлажденных до 80К образцов, возбуждаемой на установке УРС-55 при напряжении на рентгеновской трубке 50 кВ и токе 10 мА, показало, что их отношение достигает значения I_икл/ I_рл = 10⁵÷10⁶. Очень высокая яркость рекомбинационной и внутрицентровой люминесценции позволяют использовать в люминесцентных исследованиях наряду с традиционными ФЭУ и сканирующими монохроматорами менее чувствительные многоканальные фотоприемники на базе ПЗС-линеек, совмещенные со спектрографом. В отличие от ФЭУ, измеряющих текущую интенсивность I(l_i,t), фотоприемники на базе ПЗС-линеек измеряют интегральную по времени интенсивность

,                                                 (3)

где T₀ и T_c – начало и конец интегрирования, которые можно задавать извне при использовании оптического затвора или путем изменения экспозиции ПЗС-линейки. Поскольку интеграл (3) отражает плотность фотонов на полосе при l_i, то использование интегрирующих фотоприемников дает качественно новую информацию о полном квантовом выходе люминесценции на соответствующих полосах излучения.

Наиболее интенсивное внутрицентровое излучение наблюдается в приповерхностном слое вещества толщиной 1-1,5 мм (рис.3) – на порядок большей глубины проникновения электронов пучка в вещество. Максимум интенсивности приходится на глубину порядка 0,5 мм.

Рис.3. Картина свечения (а) и распределение яркости свечения внутри кристалла исландского шпата (б) вдоль распространения электронного пучка.

Яркость свечения остального объема вещества на несколько порядков слабее, и в его спектре проявляются полосы излучения, соответствующие переходам преимущественно с нижних излучательных уровней ЦЛ. Частично, это свечение обусловлено рассеянием света, исходящего из поверхностного слоя, но в нем присутствует доля люминесценции, которая возбуждается тормозным рентгеновским излучением. Эта рентгенолюминесценция легко обнаруживается при экранировке электронного пучка металлическими пластинами.

Максимум интенсивности фундаментального и примесного рекомбинационного излучения и излучения электронных и дырочных центров достигается в момент прекращения электронного пучка. Его величина слабо зависит от длительности электронного пучка. Далее следует спад интенсивности. Для рекомбинационного излучения обоих типов сначала наблюдается быстрый спад, хорошо описываемый квадратичной гиперболой, переходящий в более медленный экспоненциальный спад. Для излучения электронных и дырочных центров быстрый спад не описывается квадратичной гиперболой, но для каждого центра скорость этого спада различна. После него следует медленный экспоненциальный спад с характерным временем, одинаковым для всех центров. Причем это время приблизительно в два раза больше характерного времени экспоненциального спада рекомбинационного излучения.

Рис.4. Кинетика люминесценции иона Cr³⁺ в рубине с содержанием хрома менее 0,5 мас.% (1) и более 1 мас.% (2)

Внутрицентровая люминесценция характеризуется разгоранием. Максимум ее интенсивности достигается через на 1-3 мкс после прекращения электронного пучка, и она полностью доминирует в спектре в дальнем послесвечении. Для ряда ЦЛ с долгоживущими уровнями наблюдается два максимума интенсивности – один в ближнем послесвечении при t_m1 » 1-3 мкс, второй в дальнем послесвечении при t_m2, близком к времени жизни излучательного уровня. В качестве примера на рис. 4 приведена кинетика R-линии Cr³⁺ в рубинах, активированных различным содержанием ионов хрома. При содержании хрома менее 0,5 атом.% в кинетике R-линии имеет место один максимум интенсивности в ближнем послесвечении, а при большем содержании хрома появляется второй, зачастую, более сильный максимум в дальнем послесвечении. Наличие второго максимума характерно для интеркомбинационных полос импульсной катодолюминесценции примесных ионов d- и f-элементов (например, Cr³⁺ , Co²⁺, Mn²⁺, Nd³⁺ и др.). В то же время для разрешенных по спину полос люминесценции наблюдается только один максимум интенсивности в ближнем послесвечении, а ее дальнейший спад описывается экспоненциальным законом с одним и тем же (для одного кристалла) характерным временем. Это время зависит только от чистоты и типа кристалла. После второго максимума также наблюдается экспоненциальный спад, но, как правило, с большим характерным временем. Такая кинетика не наблюдается при других способах возбуждения люминесценции в твердых телах.