Импульсная катодо- и рентгенолюминесценция чистых и легированных кристаллов селенида цинка | Известия вузов. Физика. 2020. № 2. DOI: 10.17223/00213411/63/2/117

Импульсная катодо- и рентгенолюминесценция чистых и легированных кристаллов селенида цинка

Проведены исследования амплитудных и спектрально-кинетических характеристик свечения «чистых» (без специально введенных примесей) кристаллов ZnSe и кристаллов ZnSe, легированных Ga, Тe и Sm, при возбуждении электронным пучком и импульсным рентгеновским излучением. Установлено, что в спектрах импульсной катодолюминесценции «чистых» кристаллов ZnSe при 300 К регистрируется одна краевая полоса (λ ~490 нм, τ ~ 20 нс). В спектрах катодолюминесценции легированных кристаллов наблюдаются две полосы - краевая (λ ~ 477 нм, τ ~ 20 нс) и полоса с максимумом на λ ~ 600 нм (τ ~ 5 мкс), соотношение интенсивностей которых зависит от плотности энергии электронного пучка и геометрии регистрации спектра. В спектрах рентгенолюминесценции легированных кристаллов регистрируется одна полоса с максимумом на λ ~ 600 нм, интенсивность которой зависит от типа легирующей примеси. Обсуждается возможность применения «чистых» и легированных кристаллов селенида цинка для создания датчиков амплитудно-временных характеристик пучков электронов и рентгеновского излучения с энергией в десятки-сотни килоэлектронвольт.

Pulsed cathodoand roentgenoluminescence of pure and doped zinc selenide crystals.pdf Введение Излучение различных кристаллов широко используется при создании датчиков ионизирующих излучений [1], а пучки электронов - для идентификации различных веществ по спектрам их излучения [2]. В последнее время возникла необходимость в диагностике параметров пучков убегающих электронов в установках типа ТОКАМАК [3-5]. Это связано с тем, что генерация высокоэнергетических электронов отрицательно влияет на нагрев плазмы, а также приводит к разрушению стенок рабочей камеры. В работах [6, 7] сообщалось о создании датчиков убегающих электронов на основе излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) в алмазе. Исследования, проведённые в работах [8, 9], показали, что наряду с ИВЧ в кристаллах алмаза, возбуждаемых пучком электронов с энергией десятки-сотни килоэлектронвольт, регистрируется импульсная катодолюминесценция (ИКЛ), интенсивность которой существенно превышает интенсивность ИВЧ. Известно, что интенсивность ИКЛ зависит от типа кристаллов, способа их получения и легирования [1, 8], а ИВЧ - от энергии электронов и показателя преломления вещества [7-9, 10-12], причём при энергиях электронов до 200 кэВ интенсивность ИКЛ превышает интенсивность ИВЧ в природных и синтетических алмазах [8]. В данной работе для исследований были выбраны кристаллы ZnSe, поскольку они принадлежат к числу наиболее перспективных широкозонных материалов типа А2В6, имеют высокий световыход и малую задержку высвечивания, температурную и радиационную стабильность выходных параметров (сохраняют работоспособность вплоть до доз 107-108 рад) и находят широкое применение в качестве детектора ионизирующего излучения, а также для изготовления полупроводниковых лазеров с накачкой электронным пучком [13]. Радиационная стойкость щелочно-галоидных кристаллов типа CsI (Tl) существенно ниже - их световыход начинает уменьшаться при дозах ~ 2∙103 рад. Целью работы является исследование амплитудных и спектрально-кинетических характеристик импульсной катодо- и рентгенолюминесценции чистых и легированных различными примесями кристаллов ZnSe, которые предполагается использовать для регистрации пучков убегающих электронов и сопутствующего рентгеновского излучения в установках типа ТОКАМАК. Методика эксперимента Для исследования люминесценции были отобраны особо чистые монокристаллы ZnSe, выращенные методом газофазного осаждения (CVD-конденсаты), а также кристаллы ZnSe, легированные элементами III и VI групп, выращенные в Институте монокристаллов (г. Харьков) из расплава методом Бриджмена в вертикальных компрессионных печах в атмосфере аргона при давлении до 2∙106 Па. Размеры образцов составляли 8×8×2 мм. Концентрация введенных примесей находилась в пределах 5∙10-3 - 1∙10-2 об.%. Эксперименты были проведены при температуре 300 К на установке, которая ранее использовалась в работе [14]. Для возбуждения катодо- и рентгенолюминесценции использовался импульсный сильноточный ускоритель электронов с генератором ГИН-600. Максимальная энергия электронов в спектре достигала 300 кэВ. Длительность импульса тока электронного пучка на полувысоте составляла τ ~ 12 нс, диапазон варьируемой плотности энергии H = 0.01-0.25 Дж/см2. Импульсы рентгеновского излучения получали путем торможения электронного пучка с плотностью энергии ≈ 1 Дж/см2 в медном аноде, толщиной ~ 100 мкм. Использовались два метода регистрации спектров люминесценции образцов: «спектр по точкам» и «спектр за импульс». Первый метод позволял регистрировать спектры свечения с временным разрешением с помощью импульсного оптического спектрометра. Кристаллы устанавливались под углом ~ 45 или 90 к направлению падения электронного пучка. Изображение кристалла проецировалось на входную щель дифракционного монохроматора МДР-23 (решетка 1200 штрихов/мм, обратная линейная дисперсия 1.3 нм/мм). Амплитудные и кинетические характеристики ИКЛ и импульсной рентгенолюминесценции (ИРЛ) регистрировали с помощью ФЭУ-84 (рабочий диапазон длин волн 300-850 нм, длительность переходной характеристики ~ 7 нс) и осциллографа Tektronix DPO 3034 (300 МГц), связанного с компьютером. Временное разрешение спектрометра составляло ~ 20 нс. Во втором методе суммарные за один импульс возбуждения спектры свечения (без временного разрешения) регистрировали с помощью оптоволоконного спектрометра AvaSpec-ULS2048CL-EVO-RS (диапазон 190-1100 нм, разрешение ~ 2 нм). Облучаемая поверхность кристаллов устанавливалась под углом ~ 45 или 90 к направлению распространения электронного пучка. Спектры люминесценции регистрировали с торца кристалла, на просвет (с тыльной, по отношению облучаемой поверхности образца) и под углом 45 к возбуждаемой поверхности. Спектры пропускания образцов селенида цинка разных составов регистрировали в диапазоне 400-800 нм на спектрофотометре СФ-256. Результаты измерений и их обсуждение В процессе исследований, а также из анализа известной литературы было установлено, что спектральные и амплитудные характеристики рентгено- и катодолюминесценции исследованных кристаллов зависят от многочисленных факторов: технологии выращивания образцов, уровня возбуждения, геометрии измерения и метода регистрации. На рис. 1 (кривые 1-4) приведены спектры пропускания «чистого» CVD-конденсата ZnSe и легированных Ga, Тe и Sm кристаллов ZnSe, выращенных из расплава. Видно, что край поглощения легированных кристаллов сдвинут в длинноволновую область по сравнению с положением края фундаментального поглощения CVD-конденсата ZnSe. Наибольший сдвиг и уменьшение пропускания в краевой области спектра наблюдается в кристалле ZnSe (Ga), что свидетельствует о высокой концентрации как мелких, так и глубоких уровней в запрещенной зоне этого кристалла. Рис. 1. Спектры пропускания CVD-ZnSe (кр. 1) и легированных примесями Sm ((кр. 2), Te (кр. 3) и Ga (кр. 4) кристаллов ZnSe Изучение ИРЛ легированных кристаллов (уровень возбуждения G ~ 1019-1020 см-3∙с-1) выявило следующие особенности. Спектры ИРЛ всех образцов, измеренные методом «спектр за импульс», представляли собой одну широкую полосу с максимумом при λ ~ 600 нм и полушириной (FWHM ~ 345 мэВ) (рис. 2), интенсивность которой зависит от типа введенной примеси (таблица). Рис. 2. Спектр ИРЛ кристалла ZnSe (Ga), измеренный с тыльной стороны образца Относительная интенсивность люминесценции полосы λ = 600 нм в легированных кристаллах селенида цинка Кристалл I, отн. ед CVD-ZnSe 0 ZnSe(Ga) 100 ZnSe (Te) 33 ZnSe (Sm) 23 Кинетика затухания этой полосы в кристалле ZnSe (Ga), описывается экспоненциальной функцией с временем релаксации ~ 5 мкс (рис. 3). Для кристаллов, легированных другими примесями, кинетика затухания изменяется незначительно, в пределах 4-7 мкс, а в кристалле CVD-ZnSe ее интенсивность как минимум на два порядка меньше и в спектре ИРЛ не регистрируется. Рис. 3. Кинетика ИРЛ в максимуме полосы 600 нм в кристалле ZnSe(Ga) Информация о механизме люминесценции в области длин волн 600 нм и природе соответствующих центров свечения в ZnSe приведена в [15]. Обычно ее связывали с различными комплексами, в состав которых входят собственные дефекты и примесь. В работе [15] было показано, что в полупроводниках группы А2В6 (ZnS, ZnSe, CdS) всегда присутствует кислород как фоновая примесь, причем его предельная концентрация может достигать 1020 см3. На основании экспериментальных данных в [15] сделано заключение о том, что центрами излучательной рекомбинации, ответственными за полосу 600 нм, являются термодинамически устойчивые малоподвижные тройные комплексы, включающие вакансию цинка, межузельник цинка и кислород в узле решетки (VZnZniOSe). Кислород стабилизирует близкорасположенные собственные дефекты (VZnZni), а легирующие примеси, с одной стороны, приводят к увеличению концентрации собственных дефектов, а с другой - способствуют увеличению растворимости кислорода в решетке ZnSe. Данные, приведенные в таблице, демонстрируют, что полоса в области 600 нм появляется независимо от типа введенной примеси. Введение галлия в селенид цинка приводит к резкому усилению интенсивности свечения полосы с максимумом ~ 600 нм, по-видимому, вследствие образования высокой концентрации тройных комплексов (VZnZniOSe). В спектрах ИКЛ CVD-конденсата ZnSe и легированных кристаллов ZnSe, измеренных с торца образцов методом «спектр по точкам», в момент импульса возбуждения при Н > 0.06 Дж/см2 регистрируются полосы люминесценции в области с максимумами при λ = 490 и 477 нм соответственно. В спектрах ИКЛ, легированных ZnSe, измеренных методом «спектр за импульс», регистрируются две полосы люминесценции с максимумами при λ = 477 и 600 нм, относительная интенсивность которых зависит от Н и геометрии измерения спектра. На рис. 4 приведены спектры ИКЛ кристаллов CVD-ZnSe и ZnSe (Ga), измеренные с торца образцов при Н = 0.25 Дж/см2. Появление второй полосы при λ = 600 нм в ZnSe (Ga) объясняется тем, что в методе «спектр за импульс» измеряется высвеченная светосумма (S = I0∙τ), где I0 - интенсивность люминесценции в момент окончания импульса возбуждения; τ - постоянная затухания люминесценции. Поскольку высвеченные за один импульс возбуждения светосуммы для полос ИКЛ ZnSe (Ga) с максимумом примерно на 490 и 600 нм сравнимы, то они регистрируются в спектре одновременно. Соотношение интенсивностей этих полос зависит от концентрации тройных комплексов, плотности энергии электронного пучка и геометрии регистрации спектра. Так, например, при Н ~ 0.25 Дж/см2 в спектре ИКЛ кристалла ZnSe (Ga), измеренном с торца пластины (геометрия возбуждения и регистрации  = 90), преимущественной является краевая полоса 477 нм (рис. 4, кривая 1). Рис. 4. Спектры ИКЛ кристаллов ZnSe (Ga) (кр. 1) и CVD-ZnSe (кр. 2), измеренные с торца кристаллов, Н = 0.25 Дж/см2 При Н ~ 0.15 Дж/см2 и тех же условиях возбуждения и регистрации излучения в геометрии ( = 90) относительная интенсивность полосы 600 нм увеличивается (рис. 5, кривая 2). При измерении спектра ИКЛ ZnSe (Ga) с тыльной по отношению к облучаемой поверхности кристалла (Н ~ 0.15 Дж/см2) преимущественной в спектре является полоса 600 нм (рис. 5, кривая 1). Анализ спектров краевой полосы ИКЛ кристалла ZnSe (Ga) показывает, что при изменении угла падения электронного пучка по отношению к нормали поверхности кристалла наблюдается сдвиг максимума краевой полосы. Так, например, при измерении спектра в геометрии ( = 45) максимум расположен при λ = 471 нм, а при измерении с торца или с тыльной поверхности кристалла спектр ИКЛ сдвигается в область 477-478 нм, что объясняется реабсорбцией коротковолнового края полосы при распространении излучения в кристалле. Объяснить наблюдаемые закономерности формирования спектров ИРЛ и ИКЛ легированных кристаллов ZnSe можно следующим образом. Рис. 5. Спектры ИКЛ кристалла ZnSe (Ga), измеренные с тыльной поверхности (кр. 1) и с торца (кр. 2) образца, Н = 0.15 Дж/см2 При низких уровнях возбуждения кристаллов, соответствующих рентгеновскому облучению (G ~1019-1020 см-3∙с-1), рекомбинация неравновесных носителей заряда происходит преимущественно на дефектах, что сопровождается излучением полосы с максимумом на 600 нм, которая является основной в спектре ИРЛ при регистрации методом «спектр за импульс». При возбуждении образцов электронным пучком уровни возбуждения достигают значений 1026-1027 см-3∙с-1. С ростом уровня возбуждения происходит насыщение интенсивности свечения полосы с максимумом ~ 600 нм вследствие ограниченной концентрации центров свечения, а собственное краевое излучение продолжает увеличиваться. Так, например, в ZnSe (Ga) при достижении пороговой плотности энергии электронного пучка спонтанная люминесценция (FWHM ~ 54 мэВ) переходит в режим стимулированной, о чем свидетельствуют резкое увеличение интенсивности краевой полосы 477 нм и ее сужение (FWHM ~ 22 мэВ). Так как вынужденное излучение распространяется в направлении, перпендикулярном направлению падения электронного пучка, то при измерении ИКЛ с торца кристалла в спектре регистрируется узкая линия стимулированной люминесценции 477 нм. При регистрации спектра катодолюминесценции с тыльной поверхности кристалла преимущественной в спектре является полоса 600 нм, а при измерении в геометрии ( = 45) в спектре наблюдаются две сравнимые по интенсивности полосы ИКЛ - краевая и полоса с максимумом на ~ 600 нм. Отметим, что закономерности, установленные при формировании спектра ИКЛ для кристалла ZnSe (Ga), в той или иной степени соблюдаются и для кристалла CVD-ZnSe. Основное отличие заключаются в том, что в «чистом» ZnSe отсутствует полоса с максимумом примерно на 600 нм, связанная с кислородом. Кроме того, спектры краевой полосы (спонтанной и стимулированной люминесценции) сдвинуты в длинноволновую область относительно края спектра пропускания на ~ 15 нм, что, по-видимому, связано с влиянием собственных и примесных дефектов на люминесценцию CVD-ZnSe и требует специальных исследований технологических факторов, влияющих на люминесцентные характеристики этих кристаллов. Анализ полученных результатов позволяет отметить следующие преимущества применения «чистых» и легированных кристаллов селенида цинка для контроля убегающих электронов и рентгеновского излучения в установках типа ТОКАМАК. В отличие от щелочно-галоидных кристаллов типа CsI (Tl), в кристаллах CVD-ZnSe и ZnSe (Ga) при облучении электронным пучком наблюдается генерация вынужденного излучения при λ = 490 и 477 нм соответственно. Можно предложить использовать этот эффект для регистрации электронных пучков без использования световода в установках типа ТОКАМАК для транспортировки излучения кристалла из камеры к фотоприёмнику, который находится снаружи. Как известно, при нагреве плазмы и торможении высокоэнергетических электронов генерируется мощное рентгеновское излучение, которое обладает по сравнению с пучками электронов существенно большей проникающей способностью (при одинаковой энергии фотонов и электронов). Рентгеновское излучение, проникая в кварцевые световоды, вызывает в них свечение и искажает спектр излучения кристаллов, что может затруднить регистрацию убегающих электронов. Также рентгеновское излучение может оказывать влияние на фотоприёмники. Особый интерес для диагностики убегающих электронов и сопутствующего рентгеновского излучения представляет кристалл ZnSe (Ga), имеющий максимальную интенсивность полосы с максимумом примерно на 600 нм, что позволяет регистрировать убегающие электроны, а также потоки импульсного рентгеновского излучения как из плазмы ТОКАМАКА, так и генерируемого импульсами пучков убегающих электронов. Выводы Кристаллы CVD-ZnSe и легированные кристаллы селенида цинка элементами III и VI групп благодаря высокой эффективности преобразования энергии электронного пучка и рентгеновского излучения в люминесценцию можно предложить для использования в датчиках пучков электронов и рентгеновского излучения. Для создания таких датчиков из исследованных кристаллов наиболее подходят CVD-ZnSe и ZnSe (Ga). При создании датчиков убегающих электронов также предлагается использовать низкий порог генерации вынужденного излучения, высокую интенсивность и его направленность. Это позволит исключить использование световодов для передачи излучения от кристаллов к фотодиоду. ИВЧ, коротковолновая граница которого совпадает с краем пропускания в данных кристаллах, зарегистрировать не удалось. Поэтому кристаллы ZnSe не подходят для создания датчиков ИВЧ.

Ключевые слова

кристаллы селенида цинка, спектры люминесценции, zinc selenide crystals, luminescence spectra

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Олешко Владимир ИвановичНациональный исследовательский Томский политехнический университетд.ф.-м.н., профессор, профессор каф. лазерной и световой техники НИ ТПУoleshko@tpu.ru
Тарасенко Виктор ФедотовичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.ф.-м.н., профессор, зав. лаб. оптических излучений ИСЭ СО РАНVFT@loi.hcei.tsc.ru
Ерофеев Михаил ВладимировичИнститут сильноточной электроники СО РАНст. науч. сотр. ИCЭ СО РАНmve@loi.hcei.tsc.ru
Вильчинская Светлана СергеевнаНациональный исследовательский Томский политехнический университетк.ф.-м.н., доцент, доцент каф. лазерной и световой техники НИ ТПУsvetvil@tpu.ru
Всего: 4

Ссылки

Pereira M.C.C., Filho T.M., Berretta J.R., and Mesquita C.H. // Mat. Sci. Appl. - 2018. - V. 9. - No. 2. - P. 268.
Липатов Е.И., Бураченко А.Г., Авдеев С.М. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 3. - С. 62-75.
Pourshahab B., Abdi M.R., Sadighzadeh A., and Rasouli C. // Phys. Plasmas. - 2016. - V. 23. - P. 072501.
Zhou R.J., Hu L.Q., Zhang Y., et al. // Nuclear Fusion. - 2017. - V. 57. - No. 11. - P. 114002.
Rubel M., Brezinsek S., Coenen J.W., et al. // Matter and Radiation at Extremes. - 2017. - V. 2. - No. 3. - P. 87.
Jakubowski L., Sadowski M.J., and Zebrowski J. // Rev. Sci. Instrum. - 2010. - V. 81. - No. 1. - P. 013504.
Bagnato F., Romano A., Buratti P., et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. - 2018. - V. 60. - No. 11. - P. 115010.
Sorokin D.A., Burachenko A.G., Beloplotov D.V., et al. // J. Appl. Phys. - 2017. - V. 122. - No. 15. - P. 154902.
Бураченко А.Г., Тарасенко В.Ф., Белоплотов Д.В., Бакшт Е.Х. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 9. - С. 66-69.
Тарасенко В.Ф., Бакшт Е.Х., Белоплотов Д.В. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2019. - Т. 62. - № 7. - С. 79 - 88.
Zhao T., Hu M., Zhong R., et al. // Appl. Phys. Lett. - 2017. - V. 110. - No. 23. - P. 231102.
Тарасенко В.Ф., Ломаев М.И., Сорокин Д.А., Белоплотов Д.В. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 7. - С. 160-161.
Berezhnoy K.V., Nasibov A.S., Reutova A.G., et al. // Opt. Mem. Neural Networks. - 2009. - V. 18. - No. 4. - P. 285.
Oleshko V.I., Baksht E.Kh., Burachenko A.G., and Tarasenko V.F. // Tech. Phys. - 2017. - V. 62. - No. 2. - P. 299.
Морозова Н.К., Каретников И.А., Гаврищук Е.М. // Неорганические материалы. - 1999. - Т. 35. - № 8. - С. 917.
 Импульсная катодо- и рентгенолюминесценция чистых и легированных кристаллов селенида цинка | Известия вузов. Физика. 2020. № 2. DOI: 10.17223/00213411/63/2/117

Импульсная катодо- и рентгенолюминесценция чистых и легированных кристаллов селенида цинка | Известия вузов. Физика. 2020. № 2. DOI: 10.17223/00213411/63/2/117