Math-Net.Ru
Общероссийский математический портал
Е. В. Коровкин, Т. А. Лебедкина, Инициирован- ное F -светом инфракрасное поглощение в окра- шенных кристаллах NaCl, Физика твердого тела, 1991, том 33, выпуск 10, 2822–2827
Использование Общероссийского математического портала Math- Net.Ru подразумевает, что вы прочитали и согласны с пользователь- ским соглашением
http://www.mathnet.ru/rus/agreement Параметры загрузки:
IP: 139.59.245.186
5 ноября 2022 г., 18:49:47
1991
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА Том 33, М 10 SOLID STATE PHYSICS Vol. 33, N 10
© 1<Ш
И Н И Ц И И Р О В А Н Н О Е F - C B E T O M И Н Ф Р А К Р А С Н О Е П О Г Л О Щ Е Н И Е В О К Р А Ш Е Н Н Ы Х К Р И С Т А Л Л А Х NaCl
Е. В. Коровкин, Т. А. Лебедкипа
Измерен спектр оптического поглощения (Oil), обязанного своим происхождением?
заполняемым под действием F-света И К - л о в у ш к а м . Экспериментально показано, что спектр ОП и опубликованный ранее 2] спектр фотопроводимости принадлежат одному и тому ж е объекту. Н а основе анализа экспериментальных данных делается вывод, что этот объект — локализованный полярон. Предложены две модели этого объекта: в первой электрон локализуется на кластере, состоящем из нескольких редко расположенных /^-центров; во второй электрон локализован непосредственно в решетке, о б р а з у я авто локализованный, неподвижный (при низкой температуре) полярон.
Дополнив у с т а н о в к у д л я изучения фотопроводимости I1* 2] , в которой в качестве источника монохроматического излучения и с п о л ь з о в а л с я спек
трофотометр И К С - 2 1 с призмой из L i F , выносным болометром и флюори- товой линзой, фокусирующей прошедший через о б р а з е ц свет на болометр, мы создали у с т а н о в к у д л я исследования спектров оптического п о г л о щ е н и я в диапазоне 1.5—5.8 мкм при гелиевых т е м п е р а т у р а х . Спектр оптического поглощения И К - л о в у ш е к в гамма-облученных до д о з ы . ( 0 . 5 + - 1 ) * 1 07 рад чистых к р и с т а л л а х N a d (содержание примесей меньше 10~3 %, концентра
ция ^ - ц е н т р о в около 1 01 7 см"3) и з м е р я л с я в режиме, аналогичном измере
нию фотопроводимости [х] , в к л ю ч а ю щ е м у в себя создание определенной концентрации заполненных И К - л о в у ш е к , измерение поглощения на не
которой длине волны X и полное опустошение л о в у ш е к , чтобы не н а к а п л и в а т ь и х от точки к точке. После этого весь цикл п о в т о р я л с я д л я и з м е р е н и я поглощения в другой точке спектра. Р е з у л ь т а т ы представлены н а р и с 1 д л я Г = 4 . 2 - + 5 . 0 К .
Спектр поглощения представляет собой достаточно широкий пик с м а к симумом 0 . 3 2 + 0 . 0 3 э В , промодулированный несколькими более у з к и м ш пиками с и н т е р в а л а м и м е ж д у ними около 0.03 э В . О б р а щ а е т н а себя вни
мание неожиданно б о л ь ш а я величина оптического поглощения, достигаю
щ а я в н а ш и х экспериментах д л я о б р а з ц а толщиной 4 мм 70 %. Д л я с р а в нения на этом рисунке представлен т а к ж е спектр фотопроводимости, полу
ченный р а н е е [2] .
И з р и с 1 видно, что максимумы оптического поглощения и фотопрово
димости ( 0 . 5 3 + 0 . 0 3 э В ) не с о в п а д а ю т . Е с т е с т в е н н о , в о з н и к а е т вопрос:
п р и н а д л е ж а т ли кривые одному и тому ж е объекту? Д л я р а з р е ш е н и я этого*
вопроса были выполнены д в а эксперимента.
1) Е с л и (создав определенную концентрацию заполненных л о в у ш е к ) п р о п у с т и т ь через о б р а з е ц И К - с в е т и д е р ж а т ь его достаточно долго, то*
можно в и д е т ь , к а к о б р а з е ц п р о с в е т л я е т с я под действием И К - с в е т а . Ско
р о с т ь этого просветления при одинаковой интенсивности И К - с в е т а будет з а в и с е т ь от длины волны 1. Т . е. мощно снять с п е к т р а л ь н у ю зависимость, скорости просветления — спектр оптического опустошения И К - я о в у ж е к , , индицируемых по с п е к т р у О П . Зависимость состоит и з д в у х с л а г а е м ы х : с п е к т р а л ь н о - н е з а в и с и м о й части, обязанной своим происхождением не
преднамеренной И К - п о д с в е т к е и собственно интересующей н а с с п е к -
т р а л ь н о - з а в и с и м о й части. Эта часть в специально подобранном м а с ш т а б е л р е д с т а в л е н а на рис. 1 в виде прямоугольников, в е р т и к а л ь н ы й р а з м е р к о т о р ы х соответствует ошибке измерений. Видно, что спектр оптического опустошения хорошо совпадает со спектром фотопроводимости, что я в л я ется доводом в п о л ь з у того, что спектр фотопроводимости (это тоже с п е к т р оптического опустошения неких И К - л о в у ш е к , но индицируемый по фото- лроводимости) и спектр оптического поглощения принадлежат одному и тому ж е объекту.
Р и с . 1. Спектральные характеристики ИК-ловушек: оптического поглощения (7), фотопроводимости /ф (2), скорости оптического опустошения В (В).
2) Ранее в [х] сообщалось об определении энергии а к т и в а ц и и п р о ц е с с а термического опустошения л о в у ш е к с использованием в качестве индика
тора концентрации заполненных л о в у ш е к фотопроводимости, # = 0 . 1 6 4 + + 0.13 э В ( к р и в а я с п р а в а ; рис. 2). Л е в а я к р и в а я этого р и с у н к а — р е з у л ь т а т эксперимента по определению энергии а к т и в а ц и и , когда изменение концентрации л о в у ш е к с изменением температуры определялось по опти
ческому поглощению. В каждой температурной точке определялось по
глощение ах Для Хх—3.83 мкм (локальный максимум в области общего максимума) и д л я Х2= 3 . 8 7 мкм (локальный минимум в этой ж е о б л а с т и ) . Н а рис. 2 представлена зависимость 1а а = 1 п [(ах+ асг2)/2] от 1 / 2 \ что д о л ж н о соответствовать зависимости In С от 1 / Г , где С — к о н ц е н т р а ц и я
заполненных л о в у ш е к при постоянном освещении о б р а з ц а F - с в е т о м . Ис
п о л ь з о в а н и е полусуммы поглощений в л о к а л ь н ы х максимуме и минимуме компенсирует влияние возможного сдвига л о к а л ь н ы х максимума и мини
м у м а ж изменения их амплитуды с изменением т е м п е р а т у р ы и и з б а в л я е т от необходимости подробного измерения всей вершины с п е к т р а д л я к а ж д о й температуры. Т о л ь к о небольшой отрезок полученной к р и в о й при д о с т а - 2823
точно высокой температуре (Т ^ 112 К ) п р е д с т а в л я л п р я м у ю . П р и д а л ь нейшем понижении температуры к р и в а я выходила на насыщение. Пред
п о л о ж и в , что это с в я з а н о с тем, что при низкой температуре темп терми
ческого опустошения л о в у ш е к становится слишком малым по сравнению^
с действием непреднамеренной инфракрасной подсветки, мы р е ш и л и по- вторить эксперимент, р е з к о (примерно в 3 р а з а ) уменьшив эту подсветку.
Д л я этого с к в о з н о й , используемый д л я измерения И К - п о г л о щ е н и я , к а н а л закрывался специальными, вмонтированными внутрь криостата, охлаждае
мыми заслонками и открывался только на короткое время для измерения поглощения, а в боковой к а н а л , используемый для F-светового в о з б у ж д е н и я , в м о н т и р о в а л с я охлаждаемый светофильтр С З С - 2 5 . Это существенно удлинило прямолинейный участок (рис. 2, к р и в а я с л е в а ) . Энергия а к т и в а ции, определяемая из этого эксперимента, р а в н а 0 . 1 6 3 + 0 . 0 3 4 э В . Совпаде-
0г
Рис. 2. Определение энергии процесса термического опустошения ИК-лову
ш е к с использованием оптического по
глощения (слева) и фотопроводимости (справа) [31.
Рис 3. Регулярность расположения пиков тонкой структуры в спектрах:
оптического поглощения (1) и фото
проводимости (2) (п — номер пика).
ние энергий а к т и в а ц и и , определяемых из р е з у л ь т а т о в по фотопроводимости (0.164 ± 0 . 0 1 3 э В J1] ) и оптического поглощения, т а к ж е д о к а з ы в а е т , что спектры фотопроводимости и оптического поглощения принадлежат одному и тому ж е объекту.
Полученные х а р а к т е р и с т и к и д а ю т нам возможность у т в е р ж д а т ь , что- мы имеем дело с поляроном, причем, поскольку И К - л о в у ш к а в н а ш и х экспериментах о к а з а л а с ь д о л г о ж и в у щ е й , с неподвижным, л о к а л и з о в а н ным, поляроном. Основания для этого следующие.
1) Энергия а к т и в а ц и и процесса термического опустошения л о в у ш е к
# = 0 . 1 6 4 э В в н а ш и х экспериментах, естественно, ассоциируется с энер
гией с в я з и п о л я р о н а . Известно [4' 5] , что спектр поглощения полярона д о л ж е н п р е д с т а в л я т ь собой максимум с положением, равным д в у м энергиям с в я з и 2Н, что хорошо соблюдается в нашем с л у ч а е (ср. с 0 . 3 2 0 + 0 . 0 3 э В ) , а процесс фотодиссоциации полярона должен инициироваться при Йсо~
—ЗН [6 > 7] , что с о в п а д а е т с максимумом спектра фотопроводимрсти (0.53 + + 0 . 0 3 э В ) . П р а в д а , т е о р и я дает л и ш ь порог при Й с о = З Я , т а к что при- Тш ^ ЗН процесс не д о л ж е н идти. Однако пик оптического поглощения в этой области способствует п е р е к а ч к е основной ч а с т и энергии падающих н а к р и с т а л л фотонов в I/O-фононы (см. ниже), что увеличивает вероятность, а к т о в фотодиссоциации с поглощением фононов в этой области. Это может привести к тому, что п о я в и т с я с т р у к т у р и р о в а н н ы й пологий склон д а спек
тре Ф П и при Йсо ^ ЗН.
2 ) Широкий спектр фотопроводимости с в я з а н с переходом электрона в состояния выше дна зоны проводимости, что должно происходить с уча
стием фононов. Пониженная вероятность т а к и х процессов приводит к тому, что связанное с этим процессом оптическое поглощение невелико, что мы и видим: в измеренном спектре поглощения не обнаружено дополнитель
ного максимума при i ? = 0 . 5 3 э В . Осцилляции в спектре фотопроводимости можно с в я з а т ь с оптическими продольными фононами (рис. 3 , п р я м а я 2;
отдельные пики осцилляции отмечены метками, величина и положение которых на оси абсцисс соответствуют положениям пиков и точности их определения, а ординаты этих меток — последовательной нумерации этих пиков; при этом предполагается, что в пропущенном для измерений диапа
зоне 2.6—2.9 мкм находится еще один пик). Видно, что все пики х о р о ш о у к л а д ы в а ю т с я в одну систему равноотстоящих по энергии пиков.
Можно ожидать еще один максимум фотопроводимости при X = 2 . 7 1 мкм (0.458 э В ) — рис. 1, 3. Интервал в этой системе равен 35.44 м э В ± 0 . 4 % , что примерно на 4 м э В превышает энергию LO-фонона (см. ниже). Это свя
з а н о , по-видимому, с тем, что дополнительная энергия фотона (35.44 м э В ) т р а т и т с я не только на создание еще одного LO-фонона, но и на увеличение кинетической энергии выброшенного электрона.
3) В работе [&] проведен тщательный расчет спектра оптического по
глощения полярона в ИК-области. Спектр при низкой температуре пред
с т а в л я е т собой широкий максимум, вершина и низкочастотный склон ко
торого и з р е з а н ы системой отчетливых, равноотстоящих пиков. П о л о ж е ние этих пиков описывается формулой со=гасо0, где оз0 — частота продоль
ного оптического фонона. В нашем случае спектр оптического поглощения имеет широкий максимум (о согласии положения спектра с теорией г о в о рилось выше), вершина и исследованная ч а с т ь низкочастотного склона которого т а к ж е изрезаны равноотстоящими пиками, удовлетворяющими этой формуле (рис. 3, п р я м а я 2 ) . Расстояние между ними 31.60 м э В + 0 . 7 %, что хорошо совпадает с энергией LO-фонона в NaCl [б] . П р е д с т а в л я е т с я
возможным предложить и обсудить две существенно отличные модели обнаруженного полярона.
Общепринятой точкой зрения я в л я е т с я представление о том, что в ще- .л очно-галоидных к р и с т а л л а х электроны, нах одящиеся в зоне проводи
мости, образуют поляроны, обладающие большой подвижностью д а ж е при н и з к и х т е м п е р а т у р а х . В работе [8] сообщается об измерениях эффектив
ной массы и подвижности этих поляронов в ряде к р и с т а л л о в : К С 1 , К В т , K I , R b C l . Известно, что при з а х в а т е электрона (полярона) F-центром об
р а з у е т с я ^ ' - ц е н т р , имеющий достаточно большой радиус ( г » 5 0 + - 1 0 0 А ) . Е с л и в кристалле найдется несколько F-центров (2 и более) с меньшим р а с с т о я н и е м между ними, то захваченный электрон (полярон) не сможет при
н а д л е ж а т ь какому-либо одному из этих /^-центров, а вынужден будет при
н а д л е ж а т ь всему кластеру. В о з м о я ш о , т а к и е к л а с т е р ы , содержащие не
с к о л ь к о ^-центров, у ж е рассматривались в работе [9] . Можно предполо
ж и т ь , что свойства дополнительного электрона (полярона), захваченного т а к и м кластером, будут мало зависеть от х а р а к т е р и с т и к к л а с т е р а , напри
мер от количества содержащихся в нем F - ц е н т р о в , и они смогут единооб
р а з н о выступить в формировании спектральных х а р а к т е р и с т и к фотопро
водимости, оптического поглощения и энергии термической а к т и в а ц и и . Естественно о ж и д а т ь , что эти характеристики будут с о о т в е т с т в о в а т ь х а рактеристикам полярона, л о к а л и з а ц и я которого спасает его от з а х в а т а н а более глубокие л о в у ш к и и обеспечивает, таким образом, большое в р е м я жизни и, следовательно, возможность накопления в больших концентра
ц и я х . Это наряду с большой силой осциллятора может обеспечить большое по величине оптическое поглощение.
У з к и м местом данной модели я в л я е т с я само предположение о в о з м о ж ности электрона, захваченного кластером, п р о я в л я т ь свойства п о л я р о н а , .а т а к ж е вопрос о том, смогут ли эти о б р а з о в а н и я (достаточна ли их кон- .цеатрация) обеспечить наблюдаемую большую величину оптического по
г л о щ е н и я .
2825
В т о р а я модель предполагает, что по крайней мере в кри с т ал ле N a C f электроны проводимости при низкой температуре а в т о л о к а л и з у ю т с я в ре
ш е т к е , о б р а з у я не легкоподвижные поляроны (по общепринятой термино
логии — п о л я р о н ы большого р а д и у с а ) , а неподвижный и поэтому дояго- ж и в у щ и й полярон (по общепринятой терминологии — полярон м а л о г о ра
диуса). В этом случае не удивительно, что они м о г у т быть н а к о п л е н ы в большой концентрации и легко обеспечить большую величину оптиче
ского поглощения. Р а з у м е е т с я , не в о з н и к а е т затруднений в согласованном участии всех поляронов в формировании экспериментальных х а р а к т е р и стик, т а к к а к все они идентичны. В то ж е время п о я в л я е т с я некоторое за
труднение, о т с у т с т в о в а в ш е е в первой модели, суть которого в с л е д у ю щ е м . Исследования инициируемой F-светом ИК-фотопроводимости [3] д а ю т
(В1А)(р!(1-р))^Ю, (1>
где А — в к л а д в фотопроводимость электронов, покидающих F-центр п о д действием F - с в е т а ; В — в к л а д в фотопроводимость электронов, покидаю
щ и х И К - л о в у ш к у под действием И К - с в е т а ; р — вероятность з а х в а т а элек
трона, покинувшего F - ц е н т р , на И К - л о в у ш к у .
В первой модели р м а л о , и для удовлетворения (1) требуется А <^ В~
Н о это и нетрудно выполнить, так к а к в этой модели электрон, покидаю
щий И К - л о в у ш к у (кластер) в виде подвижного полярона, м о ж е т и м е т ь пробег до з а х в а т а на несколько порядков больше пробега туннелирующего с F - ц е н т р а электрона.
В о втором с л у ч а е , когда электрон может быть а в т о л о к а л и з о в а н в лю
бой ячейке р е ш е т к и , р, по-видимому, не мало и, к а к будто, можно избе
ж а т ь н а л и ч и я р а з н ы х в к л а д о в в проводимость, т а к к а к , если п о л о ж и т ь (1) у д о в л е т в о р я е т с я и при А=вВ. Однако это не т а к . При р я ^ 0 . 9 не более 10 % покидающих F - ц е н т р ы электронов попадают на д р у г и е л о в у ш к и (в основном на F-центры с образованием F ' - ц е н т р о в ) . Отсюда д а ж е при у с т а н о в и в ш е м с я стационарном состоянии «вторичный» F'-цен- тровый ток [3] , т а к к а к А~В, не м о ж е т п р е в ы ш а т ь 10 % от наблюдаемого фототока, а эксперимент п о к а з ы в а е т [3] , что он может достигать 40 %.
В ы х о д в том, что и р < 0.9, и В/А > 1. Элементарный расчет дает р ^
^ 0.8 и, следовательно, В/А ^ 2.5. Т . е. двух р а з н ы х вкладов д л я электро
н о в , покидающих соответственно F - ц е н т р ы и И К - л о в у ш к и (в данном слу
ч а е И К - л о в у ш к а — а в т о л о к а л и з о в а н н ы й электрон), не удается и з б е ж а т ь . П о л о ж и в средний пробег туннелирующего с F-цеитра электрона 50—
100 А ( в к л а д в проводимость в нашем случае пропорционален длине про
б е г а ) , получим д л я длины пробега электрона проводимости оценку L ^ J > 250 А . П р и н я в д л я скорости электрона величину ( 0 . 5 - f - l ) - 1 07 с м / с , п о л у - чим оценку t ^ 5 - Ю1 3 с или t > 5 Г , где Т — период колебаний LO-фо- нона. Т а к и м образом, если выброшенный из а в т о л о к а л и з о в а н н о г о состоя
н и я электрон до своей следующей а в т о л о к а л и з а ц и и в решетке может п р о с у щ е с т в о в а т ь в виде электрона проводимости в р е м я , большее или р а в н о е п я т и периодам колебаний р е ш е т к и , что мы считаем вполне вероятным,, то мы получим два в к л а д а в проводимость, необходимых и достаточных д л я с о г л а с о в а н и я и м е ю щ и х с я экспериментальных данных.
С п и с о к л и т е р а т у р ы
[1] Коровкин Е . В . , Лебедкина Т . А . / / Ф Т Т . 1987. Т . 29. № 9. С. 2807—2809.
[2] Коровкин Е . В . , Лебедкина Т. А . / / Ф Т Т . 1991. Т . 33. № 8. С. 0000—0000.
[3] Коровкин Е . В . , Лебедкина Т . А . / / Ф Т Т . 1991. Т . 33. № 1. С . 120—123.
[4] Devreese J . Т . , K u n z А. В . , Collins Т . С. // Solid S t . Comm. 1972. V . 1 1 . P . 673—
678.
[5] Loos J . , S t r a k a J . / / Chehoslovak J . of Physics. 1989. V. B 3 9 . N 3 . P . 316—326..
[ 6 ] Пекар С . И. // Избранные труды. К и е в : Наукова думка, 1988. Г л . 2 . § 10. С . 7 6 — 82; Ж Э Т Ф . 1948. Т . 18. С. 525.
[7] А н п о л ь Д ж . / Поляроны. М . : Н а у к а , 1975. Ч . 1. § 4. С. 30—37; И З . С. 117—134.
18J Hodby J . W., Borders J . A., Brown F . С Foner S. // Phys. R e v . L e t t . 1967. V. 19.
p 952 955
[9] Porret F . , L u t y F. / / P h y s . Rev. Lett. 1971. V. 26. N 14. P . 8 4 3 - 8 4 6 . Институт физики твердого тела Поступило в Редакцию
А Н СССР 30 июля 1990 г.
Черноголовка В окончательной редакции Московская область 18 декабря 1990 г.
