СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ ОКСОГАЛОГЕНИДОВ ВИСМУТА

Ибраева А.Д.¹, Кукетаев Т.А.²

¹Магистрант, ²д.ф.-м.н., профессор,

Карагандинский государственный университет имени академика Е.А. Букетова, г. Караганды, Казахстан

СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ ОКСОГАЛОГЕНИДОВ ВИСМУТА

Аннотация

В работе представлено исследование спектрально-люминесцентных свойств кристаллов оксогалогенидов висмута. Полученные результаты позволяют связать длинноволновую полосу свечения с собственным свечением кристаллической основы, а коротковолновую – с неконтролируемой примесью.

Ключевые слова: висмут, оксохлорид, оксобромид, спектр, ртутеподобный ион.

Ibrayeva A.D.¹, Kuketaev T.A.²

¹Master student, ²D.Sc., professor, Karaganda State University named after academician E,A. Buketov, Karaganda, Kazakhstan

SPECTRAL AND LUMINESCENT PROPERTIES OF CRYSTALS OF BISMUTH OXOHALIDES

Abstract

In this paper there is presented research of spectral and luminescent properties of crystals of bismuth oxohalides. The obtained results allow us to connect the long –wavelength emission bands with its own luminescence of crystal base, and short-wavelength one – with uncontrolled impurity.

Keywords: bismuth, oxychloride, oxybromide, spectrum, mercury-like ions.

Актуальность

Вопросы экологической безопасности населения являются приоритетным направлением деятельности правительств многих стран, в том числе и Казахстана [1]. Развитие атомной энергетики, химического и других производств требует создания системы индивидуального дозиметрического контроля. В настоящее время в Казахстане нет центра по выпуску индивидуальных дозиметров и, следовательно, технического и метрологического обеспечения для массовой работы с населением.

Создание индивидуального дозиметра предполагает понимание физических процессов, протекающих при взаимодействии ионизирующей радиации с твердыми телами, особенно имеющих сложное кристаллическое строение или, в случае твердых растворов, представляющих гетерогенные структуры. Всесторонне не изучены оптические свойства таких тел. В настоящее время работы в этом направлении еще далеки от своего завершения.

Целью данной работы является исследование оптических свойств кристаллов оксохлоридов и оксобромидов висмута.

Материалы и методы исследования

Рост из газообразной фазы применяется в основном для выращивания тонких эпитаксиальных пленок, используемых в технологии полупроводниковых приборов, и для получения небольших монокристаллов тугоплавких материалов, а также полупроводниковых соединений, которые плавятся с разложением [2]. Выращивание монокристаллов оксогалогенидов сурьмы проводилось сублимацией-конденсацией в замкнутых вакуумированных кварцевых ампулах, помещенных либо в горизонтальную трубчатую печь сопротивления, либо в печь с вертикальным градиентом температур. В качестве датчика температуры использовались платина–платинородиевые термопары. Температура зоны испарения составляла от 500 до 550⁰С для оксохлоридов и от 520⁰ до 580⁰С – для оксобромидов сурьмы. Разница температур между зонами сублимации и роста составляли  (20-25)⁰С. Время роста достигало 5-6 суток.

Для спектрально-люминесцентных исследований использовалась измерительная система на базе многоканального анализатора АИ-4096-90. Для регистрации оптического излучения малой интенсивности использовались фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в режиме счета фотонов.

Результаты и обсуждение

При измерении спектров пропускания монокристаллов оксогалогенидов висмута в направлении перпендикулярном слоям возникает большое число пиков, связанных с возникновением интерференционной картины при отражении света от слоев. В связи с этим спектры поглощения измерялись как на очень тонких слоях, так и по спектрам отражения порошкообразных образцов относительно окиси магния и их пересчетом по методу Кубелки-Мунка. На рисунке 1 получены таким методом спектры поглощения  и . В области 3.0-6.0 эВ в обоих случаях наблюдается три полосы поглощения, форма которых (особенно в случае ) явно неэлементарна. Интенсивная полоса поглощения при 4.0 эВ в  имеет дублетную структуру, в случае  расщепление менее выражено. При возбуждении в области фундаментального поглощения возникает фотолюминесценция, спектры которой для  и , приведены на рисунке 2. Спектр люминесценции  неэлементарен и состоит, из двух полос излучения. Коротковолновая полоса с максимумом 3,1 эВ при повышении температуры до 300-400 К не исчезает, в то время, как полоса 2,4 эВ затухает уже при температурах 200-220К. Спектр возбуждения полосы 2,4 эВ имеет явно выраженный максимум при 3,75 эВ. Коротковолновая полоса возбуждается в области 5 эВ.

 

Рис. 1 - Спектры поглощения  (а) и  (б) при Т = 300 К.

Рис. 2 - Спектр излучения   при Т = 200 К ( ___ ) и Т = 300 К ( - - - ) (а) и спектр возбуждения  при Т = 200 К ( ___ ) и Т = 300 К ( - - - ) (б)

Рис. 3 - Спектр излучения (1) и возбуждения (2)  при Т = 80 К

Спектр люминесценции и спектр возбуждения свечения  при Т = 80 К приведен на рисунке 3. В этом случае наблюдается одна элементарная полоса люминесценции с максимумом при 2,2 эВ, которая эффективно возбуждается при 3,60 эВ.

Наличие в спектрах возбуждения и люминесценции коротковолновой полосы сильно зависит от степени чистоты оксида висмута, используемого при синтезе оксогалогенидов [3]. В специально очищенных образцах при низкой температуре наблюдается только длинноволновая полоса с максимумом 2,4 эВ. Это позволяет связать коротковолновую полосу свечения с неконтролируемой примесью, а длинноволновую – с собственным свечением кристаллической основы. Аналогичная ситуация возникает и в спектрах люминесценции сложных структур .

Ионы  имеют электронную конфигурацию атома ртути с -конфигурацией основного состояния и относятся, таким образом. к ртутеподобным ионам [4]. Основой для интерпретации оптических полос поглощения служит идея Зейтца о соответствии полос поглощения электронным переходам в свободном ионе.

Оксогалогениды висмута имеют тетрагональную симметрию. Спектр поглощения должен состоять из трех групп полос, соответствующих электронным переходам . Именно такая ситуация и наблюдается в наших экспериментах. Расщепление уровней -состояния в кристаллическом поле дает экспериментально наблюдаемый дублет в спектре длинноволнового поглощения.

Литература

1. Рекомбинационная люминесценция сульфата калия, активированного нитратом европия. Т.А.Көкетай, А.Д.Ибраева// Сборник материалов XII международной научной конференция «Физика твердого тела», II-съезд физико-технического общества Республики Казахстан
2. И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва, 2002
3. М.Н.Новокрещенова, Ю.М.Юхин, Б.Б.Бохонов Синтез оксохлорида висмута (III) высокой чистоты // Химия в интересах устойчивого развития №13, 2005, С.563–569
4. В.М. Юров, Т.А. Кукетаев Спектроскопия ртутеподобных ионов в галогенидах аммония // Вестник КарГУ:Сер.Физика. - 2005. - №4(40). - С.21-29

References

1. Rekombinacionnaja ljuminescencija sul'fata kalija, aktivirovannogo nitratom evropija. T.A.Kөketaj, A.D.Ibraeva// Sbornik materialov XII mezhdunarodnoj nauchnoj konferencija «Fizika tverdogo tela», II-s#ezd fiziko-tehnicheskogo obshhestva Respubliki Kazahstan.
2. I.A. Sluchinskaja, Osnovy materialovedenija i tehnologii poluprovodnikov, Moskva, 2002
3. N.Novokreshhenova, Ju.M.Juhin, B.B.Bohonov Sintez oksohlorida vismuta (III) vysokoj chistoty // Himija v interesah ustojchivogo razvitija №13, 2005, S.563–569
4. M. Jurov, T.A. Kuketaev Spektroskopija rtutepodobnyh ionov v galogenidah ammonija // Vestnik KarGU:Ser.Fizika. - 2005. - №4(40). - S.21-29