Math-Net.Ru
All Russian mathematical portal
S. G. Ekhanin, N. S. Nesmelov, E. V. Nefedtsev, Temperature dependence of the quantum yield of electroluminescence and degradation processes in NaCl , Fizika Tverdogo Tela, 1990, Volume 32, Issue 2, 409–412
Use of the all-Russian mathematical portal Math-Net.Ru implies that you have read and agreed to these terms of use
http://www.mathnet.ru/eng/agreement Download details:
IP: 139.59.245.186
November 6, 2022, 22:37:39
19Щ ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА Том 32, № 2 то SOLID STATE PHYSICS VOL зг., N 2
УДК 530.376
О 1990
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ КВАНТОВОГО ВЫХОДА ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
И ДЕГРАДАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В NaCl
С. Г. Еханин, Я . С. Несмелое, Е. В, НефедцевПроведено исследование температурных зависимостей квантового выхода г\ (Г>
электролюминесценции (ЭЛ) тонких монокристаллических слоев NaCl и NaCl—Сд ( 6 - Ю- 2 м о л . % ) . В обоих к р и с т а л л а х зависимость YJ (Т) в безактиваторнойполосе ревко изменялась нри температурах свыше —20 °С. В активаторной полосе NaCl—Си подоб
ной неоднозначности rj (Т) не наблюдалось. Н а основе экспериментальных данных сде
лан вывод о в а ж н о й роли дислокационного механизма в процессе генерации точечных дефектов — центров безактиваторной ЭЛ.
В условиях сверхсильного поля в щелочно-галоидных кристаллах (ЩГК) наблюдаются такие явления, как ударная ионизация, появление дислокаций п электролюминесценция (ЭЛ) I
1] .Ранее показано, что безактиваторная электролюминесценция (БЭЛ) ЩГК обусловлена ударным возбуждением горячими электронами эксито- ноподобного состояния около анионных вакансий или других точечных дефектов решетки с последующей излучательной релаксацией [
ь 2] . Поэтому характеристики БЭЛ могут дать важную информацию о деграда- ционных процессах в условиях сверхсильного поля. Например, в работе[
8] по интенсивности БЭЛ определена концентрация анионных вакансий раз
личных ЩГК, которая в условиях сверхсильного поля оказалась на 2—3 порядка выше термодинамически равновесной.
До настоящего времени механизм образования избыточной концентра
ции точечных дефектов в условиях сверхсильного поля оставался невы
ясненным. Прямые наблюдения интенсивной генерации дислокаций в ЩГК под действием сильных электрических полей [
4] не являются доказатель
ством доминирующей роли дислокационного механизма в процессе обра
зования избыточных вакансий. Существует альтернативная точка зрения, согласно которой основной вклад в генерацию точечных дефектов может давать процесс безызлучательного распада низкоэнергетических эксито- нов, возбуждаемых горячими электронами [
5] .
В настоящей работе поставлена задача: исследовать температурную зависимость квантового выхода БЭЛ с целью уточнения механизма гене
рации точечных дефектов решетки под действием сверхсильного электри
ческого поля.
Эксперименты проведены на тонких (2—5 мкм) слоях NaCl, полученных методом анизотропного растворения [
в] . Были использованы чистые кристаллы и кристаллы, активированные медью с концентрацией GX Х10~
2мол.% . В качестве электродов применялся электролит — насыщен
ный раетвор NaCl в бутиловом спирте. ЭЛ возбуждалась одиночными им
пульсами напряжения длительностью 0.5 мс.
Помимо широкой полоеы БЭЛ с максимумом ~ 4 3 0 нм, характерной для неактивированных кристаллов, в кристалле NaCl—Си наблюдалась интенсивная активаторная полоса с максимумом при 350 нм.
Квантовый выход измерялся в условных единицах как отношение
выходного тока фотоэлектронного умножителя к величине така, текущего6 Фж»ика т*ерж*г» тел*, выж. 2, 1999 409
через образец (величина тока образца в ходе измерений поддерживалась постоянной). Температура изменялась в пределах от —50 до -)-20 °С.
На рис. 1, а показана температурная зависимость квантового выхода ЭЛ неактивированных кристаллов т\ NaCl. Она имеет следующую харак
терную особенность: если измерения т\ начинать от низких температур указанного диапазона, то зависимость 1п -ц (Т) имеет вид кривой с мини
мумом в области от —30 до —20 °С (кривая 1—2—3—4). Измерения ij в обратном направлении (т. е. с понижением температуры от комнатной) дают монотонный рост г\ (кривая 4—5). Участок 2—4 в отличие от осталь
ных участков зависимости У\ (Т) динамичен, его крутизна зависит от вре
мени воздействия поля (количества импульсов). При фиксированной тем
пературе и достаточно длительном электрополевом воздействии величину т) на этом участке температур можно увеличить до значения, соответствую-
С целью определения доминирующего фактора были проведены анало
гичные измерения на активированных кристаллах. При исследовании электролюминофора NaCl—Си (рис. 1, б) для каждого значения темпера
туры измерялись два значения квантового выхода и TJA Д Л Я безакти- ваторной и активаторной полос соответственно (для выделеня полос ис
пользовались светофильтры ЖС-18 и УФС-5).
Очевидно, что для данного образца и фиксированных внешних условий величина % может изменяться только за счет изменения эффективности возбуждения центров активатора, поскольку концентрация этих центров остается неизменной. Однако при циклировании по Т изменений в зависи
мости % (Г), выходящих за пределы ошибки измерений, не обнаружено.
В то же время зависимость т\в (Т) аналогична зависимости TJ (Т) для не
активированных кристаллов (рис. 1).
Таким образом, из полученных результатов следует: 1) при воздействии сверхсильного электрического поля происходят процессы, приводящие к возрастанию концентрации вакансий, составляющих центры БЭЛ, что проявляется в увеличении квантового выхода БЭЛ; 2) эти процессы ак
тивируются температурой при Т ^ —20 °С; 3) увеличение концентрации вакансий при электрополевом воздействии происходит до некоторого ста
ционарного значения (характеризуемого участком 4—5), поскольку даль
нейшее циклирование по Т не приводит к существенным изменениям за
висимости f\ (Т) относително кривой 4—5.
Эти результаты противоречат предположению о преобладании экси- тонного механизма в процессе генерации микродефектов, так как выход стабильных френкелевских пар в процессе безызлучательного распада экстгтонов должен уменьшаться при повышении температуры в исследуе
мом диапазоне [
7] .
щего кривой 4—5. Например, переход 3—3' (при Т=0 °С) можно осуществить при подаче около 20 импульсов.
Стрелками указано направление изменения темпера
туры.
Рис. 1. Температурные зависимости кванто
вого выхода ЭЛ.
Изменения в структуре слоя, приводящие к росту ве
личины TJ, могут быть следую
щими: 1) увеличение концен
трации дефектов, составляющих центры БЭЛ; 2) прочие струк
турные нарушения, увеличива
ющие эффективность возбуж
дения центров БЭЛ за счет из
менения условий переноса но
сителей заряда, возбуждающих
БЭЛ (распределение поля по
толщине слоя, распределение
плотности тока по площади
слоя и др.).
Н а п р о т и в , рост эффективности о б р а з о в а н и я в а к а н с и й с ростом темпе
ратуры с о г л а с у е т с я с п р е д п о л о ж е н и е м о д и с л о к а ц и о н н о м м е х а н и з м е гене
рации точечных д е ф е к т о в .
Р е з у л ь т а т ы м н о г и х экспериментов свидетельствуют о том, что о с н о в ными г е н е р а т о р а м и точечных дефектов в пластически деформируемых к р и сталлах я в л я ю т с я винтовые у ч а с т к и дислокаций со с т у п е н ь к а м и , о б р а з у ю щимися в процессе поперечного с к о л ь ж е н и я [8]. В области н и з к и х температур подвижность в и н т о в ы х д и с л о к а ц и й , и з м е р е н н а я при индентировании Щ Г К , относительно м а л а и з н а ч и т е л ь н о меньше подвижности к р а е в ы х д и с л о к а ций [•]. П р и т е м п е р а т у р е 270—300 К в NaCl и д р у г и х Щ Г К происходит резкое увеличение п о д в и ж н о с т и винтовых
дислокаций с ростом т е м п е р а т у р ы и вин
товые д и с л о к а ц и и с т а н о в я т с я значительно подвижнее к р а е в ы х [9J . В соответствии с [81 это д о л ж н о п р и в е с т и и к резкому увеличению и н т е н с и в н о с т и г е н е р а ц и и точечных дефектов, что т а к ж е с о г л а с у е т с я с выводами [1 0J .
Н а л и ч и е с л о ж н ы х п л а с т и ч е с к и х я в лений в т о н к и х с л о я х NaCl в у с л о в и я х сверхсильного п о л я подтвердило визу
альные и э л е к т р о н н о - м и к р о с к о п и ч е с к и е исследования. Н а о с н о в а н и и в и з у а л ь н ы х наблюдений у с т а н о в л е н о , что свечение тонких слоев N a C l имеет я р к о в ы р а ж е н ную точечную с т р у к т у р у . Следовательно, электрический т о к , в о з б у ж д а ю щ и й Э Л , распадается н а отдельные м и к р о п л а з м е н ные ш н у р ы , к о т о р ы е , по в и з у а л ь н ы м оцен
кам, имеют с у б м и к р о н н ы е р а з м е р ы и от
стоят друг от д р у г а в среднем на еди
ницы-десятки м и к р о м е т р о в .
Э л е к т р о н н о - м и к р о с к о п и ч е с к и е снимки поверхности п о к а з а л и , что на месте к а ж
дого токового ш н у р а ф о р м и р у е т с я п л о с к о в е р ш и н н а я возвышенность диаметром менее 1 мкм и высотой — 1 0 -8- ^ - 1 0 ~7 м (рис. 2). В н е ш н и й вид этих о б р а з о в а н и й свидетельствует о том, что и х п о я в л е н и е не связано с высокотемпературными эффектами (например, оплавлением м а т е р и а л а ) . Расчеты п о к а з а л и , что м а к с и м а л ь н а я т е м п е р а т у р а , достигаемая в центре токового ш н у р а , всего л и ш ь на н е с к о л ь к о градусов превышает темпера
туру о к р у ж а ю щ е г о вещества, однако этого достаточно, чтобы вызвать зна
чительные т е м п е р а т у р н ы е г р а д и е н т ы и соответствующие им механические напряжения, п р е в ы ш а ю щ и е п р е д е л текучести м а т е р и а л а (несколько М П а ) . Термоударные п л а с т и ч е с к и е эффекты, в о з н и к а ю щ и е п р и з а к а л к е с пе
репадом т е м п е р а т у р всего л и ш ь в н е с к о л ь к о десятков г р а д у с о в , у д а в а л о с ь наблюдать ранее в п р и п о в е р х н о с т н ы х с л о я х к р и с т а л л о в NaCl на г л у б и н е до 100 мкм [п] . В р а с с м а т р и в а е м о м же с л у ч а е речь идет о значительно более м е л к и х м а с ш т а б а х , причем источники тепла (токовые ш н у р ы ) на
ходятся в н у т р и к р и с т а л л и ч е с к о г о с л о я .
Наблюдаемый вынос вещества, по-видимому, осуществляется по по
верхности с к о л ь ж е н и я , ф о р м и р у ю щ е й с я на г р а н и ц е м е ж д у областью термического р а с ш и р е н и я и областью с ж а т и я , о к р у ж а ю щ е й токовый ш н у р . Локальные места э л е к т р о п е р е н о с а можно т а к ж е н а б л ю д а т ь в оптический микроскоп после п о г р у ж е н и я образца в т р а в и т е л ь (этиловый спирт с д о бавлением CdO). И з р и с . 3 видно, что п р и этом п р о я в л я е т с я п л о т н а я дис
локационная с т р у к т у р а , р а в н о м е р н о з а п о л н я ю щ а я р а б о ч и й слой образца и обусловленная чисто полевым воздействием. Г е н е р а ц и я д и с л о к а ц и й под действием с и л ь н о г о э л е к т р и ч е с к о г о п о л я — и з в е с т н ы й эффект, наблюдав
шийся ранее [4J. О д н а к о из р и с . 3 т а к ж е в и д н о , что на фоне этой с т р у к т у р ы вытравливаются относительно г л у б о к и е я м к и , п о л о ж е н и е к о т о р ы х сов-
Рис. 2.
кающие Возвышенности, возни- в местах прохождения
тока.
б* 411
п а д а е т с положением с в е т я щ и х с я точек, н а б л ю д а в ш и х с я во время.воз
действия п о л я (случай, п р о и л л ю с т р и р о в а н н ы й на рис. 3 , соответствует с л а б о м у уровню в о з б у ж д е н и я Э Л , когда электроперенос и свечение ..охва
тывают небольшую часть с л о я ) . Б о л ь ш а я с к о р о с т ь т р а в л е н и я , очевидно, с в я з а н а с тем, что в местах л о к а л ь н о г о электропереноса формируется зна
чительно большая плотность микродефектов, чем в остальной части слоя.
В о з в р а щ а я с ь к а н а л и з у т е м п е р а т у р н ы х зависимостей квантового,вы
хода Э Л , в а ж н о отметить, что пороговый х а р а к т е р термоактивации, дви
ж е н и я винтовых д и с л о к а ц и й в области температур 270—300 К свойствен не одиночным винтовым д и с л о к а ц и я м , а плотному ансамблю взаимодей
ствующих д и с л о к а ц и й , формируемому действием сосредоточенной на
грузки (в частности, микроиндентированием) [9] . Н а б л ю д е н и я свидетель
ствует о том, что ц р о т е к а н и е ионизационного тока в NaCl приводит именно к сосредоточенной термомеханической н а г р у з к е .
Т а к и м образом, р е з у л ь т а т ы н а с т о я щ е й работы п о д т в е р ж д а ю т предпо
л о ж е н и е о том, что г е н е р а ц и я точечных дефектов — центров Б Э Л — обус
л о в л е н а д и с л о к а ц и о н н ы м и процессами.
1] Воробьев Г. А., Несмелое Н. С. / / И з в . вузов, физика. 1979. № 1. С. 90—104.
2] Несмелов Н. С. / / Опт. и спектр. 1981. Т. 50. № 5. С. 893—899.
3] Д р у ж и н и н А. П . , Несмелов Н . С. / / Опт. и спектр. 1980. Т. 49. № 5. С. 908—911.
;4] Воробьев Г. А., Е х а н и н С. Г. и др. / / Ф Т Т . 1973. Т. 15. № 8, С. 2 5 4 5 - 2 5 4 7 . 5) Минаев С. М., Лебединская Э. Н . и д р . // Тез. д о к л . VI Всес. к о н ф . по физике
диэлектриков. Секция «Пробой и электрическое старение диэлектриков». Томск, 1988. С. 7 0 — 7 1 .
[6] Е х а н и н С. Г., Несмелов Н . С , Нефеддев Е . В . / / ПТЭ. 1986. № 3 . С. 225—227.
[7] Нурахметов Т. Н . , Гиндина Р . И . , Осминин В . С , Эланго А. А. / / Т р . Ин-та физики А Н ЭССР. 1977. Т. 47. С. 1 6 8 - 1 8 3 ,
[8] Смирнов Б . И. Д и с л о к а ц и о н н а я структура и упрочнение к р и с т а л л о в . Л . , 1981, [9] Б о я р с к а я Ю. С , Грабко Д . 3 . , К а ц М. С. Физика процессов микроиндентирова-
н и я . Кишинев, 1986. 294 с.
Ц 0 ] C h i a r o t t i G. // P h y s . R e v . 1957. V. 107. N 2. P . 381—387.
Ill]i З а г о р у й к о H. В . , Резников Б . А., Тяпунина H . А . / / Ф Т Т . 1966.
Т. 8. № 1. С. 166—171.
Рпс. 3. Места прохождения тока, выявленные травлением.
а: стрелкой указан фрагмент, соответствующий снимку б.
С п и с о к л и т е р а т у р ы
Томский
институт автоматизированных систем у п р а в л е н и е и радиоэлектроники
Томск
Поступило в Редакцию 27 ф е в р а л я 1989 г.
В окончательной редакции 7 и ю л я 1989 г.