Реферат: Радиационные процессы в ионных кристаллах

Возможны и туннельные темпера­турно независимые переходы свободных экситонов в автолокализованное состояние. Им соответствует от­сутствие полного замораживания све­чения автолокализованных зкситонов при предельно низких температурах.

Движение автолокализованного экситона описывается как термоакти-вировпнный прыжковый процесс (прыж­ковая диффузия). Вероятность этого процесса растет экспотенциально при увеличении температуры. Прыжковая

диффузия экситонов эффективно проявляется при температуре выше 110 К в KJ, 175 К в Kbr и 210 К в KCl.

В последнее время получены экспериментальные данные, указыва­ющие на возможность существования одногалоидных автолокалиоован-ных экситоноа (см.: [20], c.121).

§2.3. Механизмы создания радиационных дефектов в кристаллах [21,23,32-40]

Как отмечалось в §1.1, сперхравновесные концентрации точечных дефектов в кристаллах можно создать путем облучения их квантами электромагнитного излучения или частицами достаточно больших энер­гий. Возникающие при этом дефекты кристаллической структуры называют радиационными дефектами. Они во многом определяют физические свойства кристаллов.

Главный интерес к практическому использованию радиационных дефектов твердых тел в настоящее время сосредоточен в основном на следупщих трех направлениях. Во-первых, использование генерации радиационных дефектов для сознательного изменения свойств твердых тел в выгодном для техники направлении (радиационное материалове­дение). Во-вторых, борьба с вредными изменениями свойств твердых тел, эксплуатируемых в условиях сильного облучения ионизирующими излучениями (в ядерных реакторах, ускорителях, космосе и т.д.). В-третьих, ^пользование радиационных дефектов для записи и хране ния информации в твердых телах (дозиметры, ячейки пам^ги).

Эффективное решение этих практических задач требует выяснения механизмов создания и закономерностей поведения радиационных де­фектов в твердых телах.

Кроме того, облучая твердые тела ионизирующей радиацией, мож­но создавать условия для твердого тела, очень далекие от термодинамически равновесных. Изучение ионных и электронных процессов в твердом теле в этих условиях представляет большой самостоятельный интерес.

Радиационные повреждения могут возникать в твердых телах в ре­зультате взаимодействия частиц и квантов либо с ядерной, либо с электронной подсистемами кристаллической решетки. Поэтому различа­ют две группы механизмов радиационного создания нарушений в твер­дых телах - ударные электронные механизмы.

Ударные механизмы создания радиационных дефектов относительно хорошо изучены в полупроводниках и металлах при действии на них быстных нейтронов, протонов, алектронов и т.д. (З6-39, 21].

При не слишком больших энергиях частиц первичный акт взаимо­действия этих частиц с кристаллообраэукщими частицами (атомами, ионами) сводится к упругому парному соударению, подчиняющемуся классическим законам сохранения энергии и импульса.

Если первичная частица имеет кинетическую энергию Е к и массу m , а масса атома (иона) М , то при парном лобовом соударении в не-релятивистском приближении смещаемый из узла кристаллической, решет­ки атом (ион) приобретает энергию

Пусть Е d - минимальная энергия, необходимая для смещения атома (иона) из нормального узла кристаллической решетки. Тогда, пола­гая Е d = Е из (2.6) можно получить выражение для так называемой пороговой кинетической энергии частицы (Е n = Е к ), т.е. минимальной энергии частицы, обладая которой она еще способна при парном лобовом соударении создать френкелевскуго пару дефектов:

При электронной бомбардировке необходимо учитывать релятивисткие эффекты. В этом случае максимальная передаваемая энергия

(2.6)

m и Ек - масса и кинетическая энергия эпектрона, соответствен­но. Ударные механизмы создания радиационных дефектов универсальны.

Они осуществляются и в ионных кристаллах. Экспериментально ударные механизмы радиационного дефектообразования изучены на монокристал­лах МgO. Для окиси магния пороговая энергия смещения электронами ионов кислорода составляет 330 КэВ, чему соответствует Е d = 60 эВ (см.: [21], с .2.25). В ЩГК в сравнении с другими механизмами удар­ные механизмы проявляются слабо.

При взаимодействии частиц и квантов элактргмагнитного излучения с твердыми телами большая часть их энергли расходуется на во­збуждение электронной подсистзмы кристаллов. Возникающие при этом разнообразные электронные возбуждения обусловливают электронные механизмы радиационного дефектообразования в твёрдых телах. Элект­ронные механизмы создания радиационных дефектов хорошо изучены в ионных кристаллах, особенно в ДГК. В этом случае радиационные деффекты преимущественно создаются с помощью механизмов, требующих гораздо меньшей энергии, чем ударные механизмы. Соответствующий механизмы в радиационной физике твердых тел получили название подпороговых механизмов создания радиационных дефектов.

Один из таких механизмов предложен в 1954 г. Варли Г407, впер­вые рассмотревшим возможность создания фреккелевских пар дефектов при двойной ионизации ионов галоида в ЩГК. Пороговая энергия механизма Варли определяется возможностью получения дважды ионизо­ванных анионов (для КСl она равна 200 эВ). Этот процесс может произойти в результате Оже-процоссов в ионах галоида. Под действием излучения удаляется один из электронов внутреннего слоя галоида. При переходе электрона с внешнего слоя на внутренний выделяется энергия, идущая на вторичную ионизации этого иона. В резуль­тате этих процессов возникает нестабильная группировка из семи расположенных рядом положительно заряженных ионов, которая в прин­ципе может исчезать путем выталкивания положительно заряженного галоида из узла кристаллической решетки в междоузлие. Гипотеза Варли подвергалась подробной экспериментальной проверке и было доказано, что процессы двойной (и многократной) ионизации кристаллообразующих частиц не играют решающей роли при создании радиационных дефектов в ЩГК (см.: 1211, С.242). Полученный розультат свя­зывается с тем, что время жизни многократно ионизованных состоя­ний анионов определяется временем захвата электронов соседних ани­онов, равным с. Это время меньше периода колебаний ре­шетки и, вероятно, слишком мало для накопления импульса, необхо­димого для смещения аниона в междоузлие.

В последние годы показано, что многократная ионизация атомов приводит к созданию точечных дефектов в полупроводниках.

В твердых телах радиационные дефекты могут возникать также в результате распада некоторых сравнительно долгоживущих электрон­ных возбуяздений. Во многих ионных кристаллах, особенно в ЩГК, этот механизм создания радиационных дефектов является доминирую­щим. Подтвериздением этого обстоятельства служит следующий факт (см.:[21], с.224). В отношении радиационного дефектообразования мощное облучение кристаллов NaCl нейтронами и -излучением ядерного реактора приводит практически к тем же результатам, что и облучение рентгеновским излучением и даже ультрафиолетовых сче­том, селективно создающим экситоны или электронно-дырочные пары. При облучении кристалла NaCl частицами и фотонами в нем возника­ют электронные возбуждения широкого диапазона энергий и времен жизни, высокоэнергэтичеокие электронные возбуждения распадаются на простейшие стабильные возбуждения типа электронно-дырочных пар и экситонов (§2.1, рис.2.2). Именно низкоэнергетические электрон­ные возбуждения с достаточной для обнаружения эффективностью пре­вращаются в дефекты кристаллической решетки. Первичными радиаци­онными дзфектами в ЩГК являются френкелевские пары (нейтральные или заряженные). Такого рода дефекты эффективно генерируются в ходе распада автолокализованных экситонов и при безызлучатальных рекомбинациях электронов с V k -центрами:

(2.9)

(2.10)

До распада каждый молекулярный ион и занимает два анионны узла. После распада ()* восстанавливается регулярный узел ре­шетки , атом Х° смещается в междоузлие (), а оставшаяся на его месте анионная вакансия Va захватывает электрон . В результате р