Cathodoluminescence of nitrogen-containing diamond samples at temperatures of 80-800 K.pdf Введение Прогресс в технологиях синтеза алмаза предоставляет возможность контролировать концентрацию и распределение примесей в получаемых образцах, применяемых в различных высокотехнологических приложениях. Так, например, синтетические алмазы, содержащие азотные центры окраски, находят широкое применение в детекторах излучений [1, 2], алмазных лазерах [3], квантовых компьютерах и сенсорах [4]. В настоящее время одним из перспективных применений алмаза является использование его в качестве материала радиатора черенковских детекторов [5] для детектирования потоков заряженных частиц солнечного ветра в околоземном космическом пространстве. Основная энергия заряженных частиц солнечного ветра лежит в диапазоне десятки - сотни килоэлектронвольт. Условия работы в околоземном космическом пространстве, где температура может меняться в широком диапазоне значений (ниже 200 и выше 500 К), накладывает ограничения на используемые в качестве радиаторов материалы. Благодаря таким свойствам, как высокая теплопроводность, радиационная стойкость, электрическая прочность и высокий показатель преломления, алмаз является одним из наиболее перспективных материалов для таких разработок. Известно, что с увеличением температуры происходит тушение люминесценции. Данное обстоятельство благоприятно сказывается на регистрации черенковского излучения, так как возбуждающие его заряженные частицы в материале радиатора также могут возбуждать люминесценцию, которая в этом случае будет являться паразитным сигналом. Поэтому информация о температурном тушении катодолюминесценции (КЛ) для различных алмазных образцов является весьма важной. На данный момент имеется достаточно много научных работ [6-8], посвященных исследованию люминесценции алмаза при температурах ниже 500 К. В работах [9, 10] исследование спектральных характеристик свечения образцов алмаза при повышенных температурах (800 К и выше) проводилось при возбуждении электролюминесценции. В этих работах сообщалось об уменьшении интенсивности электролюминесценции с ростом температуры алмазных образов. Однако опубликованных работ по исследованию катодолюминесценции алмаза при повышенных температурах (500 К и выше) явно недостаточно. Так как алмаз является перспективным материалом для высокотемпературной электроники и фотоники, то исследования КЛ в широком диапазоне температур являются актуальными. В настоящей работе целью являлось спектральное исследование свечения алмазных образцов в широком интервале температур (80-800 К) при возбуждении пучком электронов с энергией десятки - сотни килоэлектронвольт (до 300 кэВ). Методы и материалы Исследования свечения алмаза проводились на трех образцах. Образцы были получены методом температурного градиента в условиях высокого давления и высокой температуры [11]. Исследуемые образцы имели форму плоскопараллельных пластин разной толщины. Характеристики исследуемых образцов представлены в таблице. Характеристики исследуемых образцов алмаза Номер образца Метод синтеза Размеры, мм 1 Температурный градиент 2.4×2.4×0.3 2 Температурный градиент 2.3×2.3×0.43 3 Температурный градиент 3.42×6.44×0.61 Облучение образцов осуществлялось с помощью ускорителя пучка электронов, созданного на базе генератора НОРА с отпаянной электронной трубкой ИМА3-150Э [12]. Для проведения исследований свечения алмазных образцов в широком интервале температур (80-800 К) была разработана камера с системой откачки, оснащенная двумя сменными узлами, отвечающими за нагрев либо охлаждение образцов. Нагрев образца осуществлялся с помощью индукционного нагревательного элемента с системой водяного охлаждения данного узла в диапазоне температур 300-800 К. Охлаждение образца осуществлялось жидким азотом при температурах от 300 до 80 К. В обоих случаях камера, в которой находился исследуемый образец, непрерывно откачивалась форвакуумным насосом, что позволяло в случае нагрева уберечь стенки камеры и корпус генератора НОРА от перегрева, а при охлаждении жидким азотом - от образования инея внутри камеры. Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки по регистрации спектров излучения алмазных образцов Температура исследуемых образцов измерялась с помощью термопары ТХА (тип K), которая имеет рабочий диапазон температур от -200 до +600 °С. Показания термопары передавались на измеритель-регулятор ТРМ-210. Термопара закреплялась на медном штоке в непосредственной близости к установленным алмазным образцам (рис. 1). Алмазные образцы устанавливались между двумя медными пластинами с отверстиями диаметром 3 мм, которые закреплялись на медном штоке. Образцы, имеющие геометрические размеры сторон менее 3 мм (например, образцы № 1 и 2), предварительно зажимались между двумя латунными пластинками, имеющими отверстия диаметром 2 мм. Медный шток в зависимости от исследований (нагрев/охлаждение) соединялся либо с нагревательным элементом индуктора, либо с емкостью, заполненной жидким азотом. Расстояние между образцом алмаза и фольгой электронной трубки ИМА3-150Э во всех исследованиях не менялось и составляло 14 мм. Спектры излучения и пропускания алмазных образцов определялись с помощью спектрометра HR2000+ES («OceanOptics Inc.») с известной спектральной чувствительностью в диапазоне длин волн 190-1100 нм (разрешение ~ 0.9 нм). Излучение от образца попадало в линзу, которая посредством кварцевого световода передавала излучение в спектрометр. Линза со световодом были прозрачны в диапазоне 190-1100 нм. Расстояние от образца алмаза до линзы во всех исследованиях также не менялось и составляло 12 мм. Спектры КЛ алмазных образцов регистрировались при их перпендикулярном положении относительно оси электронной трубки ИМА3-150Э. Генератор НОРА работал с частотой следования импульсов 2 Гц. Распределение пучка электронов по энергиям для генератора НОРА с электронной трубкой ИМА3-150Э определялось по методике, описанной в [13]. Ток пучка регистрировался с помощью коллектора с высоким временным разрешением (~ 80 пс). Сигнал с коллектора подавался на осциллограф Tektronix MDO3102 (полоса пропускания - 1 ГГц, частота дискретизации - 5 выборок за 1 нс). Энергетический спектр пучка электронов (а) и осциллограмма тока электронного пучка (б), полученные для генератора НОРА с электронной трубкой ИМА3-150Э, представлены на рис. 2. Рис. 2. Распределение пучка электронов по энергиям (а) и осциллограмма тока пучка электронов (б). Генератор НОРА с отпаянной электронной трубкой ИМА3-150Э Результаты и их обсуждение Спектры катодолюминесценции образца № 1, полученные в широком интервале температур, и спектр пропускания этого образца, полученный при комнатной температуре, представлены на рис. 3, а и б. В спектрах излучения образца № 1 наблюдается широкая бесструктурная полоса КЛ в диапазоне 400-800 нм, интенсивность которой с ростом температуры образца уменьшается (рис. 3). Данная широкая полоса содержала предположительно бесфононную линию (БФЛ) на 503 нм слабой интенсивности. Ввиду спектрального положения БФЛ, наличия в образце азота и Рис. 3. Спектры катодолюминесценции, полученные при нагреве (а) и охлаждении (б) образца № 1, и его спектр пропускания (кр. 1), полученный при комнатной температуре факта радиационно-термической обработки алмазного образца № 1 наблюдаемая широкая бесструктурная полоса КЛ в диапазоне 400-800 нм связана с N2V0-центрами и является электронно-колебательной системой H3 [6, 14], но с нетипичным температурным поведением фононного крыла. На рис. 4 представлены температурные зависимости интенсивности БФЛ H3-центра на 503 нм и интенсивности максимума спектра люминесценции на длине волны ~ 520 нм для образца № 1. Рис. 4. Температурные зависимости интенсивности бесфононной линии H3-центра на 503 нм и спектрального максимума люминесценции на 520 нм для образца № 1 Обе зависимости имеют тенденцию к уменьшению с ростом температуры и хорошо описываются эмпирическим законом Мотта [15]. C увеличением температуры до 600 К происходит тушение БФЛ H3-центра на длине волны 503 нм (рис. 4), и в спектрах КЛ выше 600 К данная БФЛ не наблюдается. Спектры катодолюминесценции образца № 2, полученные в широком интервале температур, и спектр пропускания этого образца, полученный при комнатной температуре, представлены на рис. 5, а и б. В спектрах КЛ наблюдается широкая полоса в диапазоне длин волн ~ 500-850 нм с БФЛ на длине волны 575 нм, соответствующей NV0-центру, и ее фононные повторения, которые отчетливо проявляются в спектрах КЛ при температурах ниже ~ 220 К (рис. 5, б). Кроме того, в спектрах КЛ при температурах ниже ~ 330 К наблюдается полоса самопоглощения на длине волны 638 нм, соответствующая NV--центру, которая также присутствует в спектре пропускания (рис. 5). Таким образом, широкая полоса в диапазоне длин волн ~ 500-850 нм образована пересечением электронно-колебательных систем люминесценции NV0- и NV--центров. Рис. 5. Спектры катодолюминесценции, полученные при нагреве (а) и охлаждении (б) образца № 2, и его спектр пропускания (кр. 1), полученный при комнатной температуре На рис. 6 представлены температурные зависимости интенсивности излучения БФЛ NV0 на 575 нм и интенсивности максимума спектра фононного крыла люминесценции на 647 нм для образца № 2. Рис. 6. Температурные зависимости интенсивности бесфононной линии NV0-центра на длине волны 575 нм и интенсивности максимума спектра фононного крыла люминесценции на длине волны 647 нм для образца № 2 БФЛ NV0 для образца № 2 наблюдается только при температурах ниже ~ 400 К. Однако фононные крылья NV0 и NV- в диапазоне ~ 500-850 нм, несмотря на температурное тушение, наблюдаются даже при температуре ~ 800 К (рис. 5, а и 6). При температурах ниже 200 К интенсивность БФЛ 575 нм была за пределами линейного диапазона спектрометра, т.е. прибор переходил в режим насыщения. Поэтому температурная зависимость ниже 200 К для БФЛ NV0 на рис. 6 не показана. В целом температурная зависимость БФЛ на 575 нм в диапазоне температур 90-800 К хорошо описывается законом Мотта. Температурная зависимость интенсивности максимума спектра в фононном крыле люминесценции NV-центров на ~ 647 нм имела сложный характер. При уменьшении температуры образца № 2 ниже 230 К (рис. 6) происходило уменьшение интенсивности свечения КЛ в спектральном максимуме на 647 нм. На этой длине волны значительный вклад в интенсивность КЛ дает фононное крыло NV--центров, часть из которых испытывает ионизацию электронами пучка, т.е. меняет зарядовое состояние в NV0, и таким образом не дает вклада в КЛ на 647 нм. Кроме того, на уменьшение интенсивности спектра могло также повлиять ухудшение вакуума в камере при низких температурах. Спектры катодолюминесценции образца № 3, полученные также в широком интервале температур, и спектр пропускания, полученный при комнатной температуре, представлены на рис. 7, а и б. Рис. 7. Спектры катодолюминесценции, полученные при нагреве (а) и охлаждении (б) образца № 3, и его спектр пропускания (кр. 1), полученный при комнатной температуре В спектрах КЛ образца № 3 наблюдается люминесценция NV0-центра с БФЛ на 575 нм и ее фононными повторениями. Причем в отличие от образца № 2, БФЛ и фононное крыло NV--центров проявляются слабо, что связано с различиями примесно-дефектного состава данных образцов. Кроме того, в спектрах КЛ образца № 3 наблюдается электронно-колебательная система, обусловленная собственными междоузельными атомами, с БФЛ на 389 нм и фононными повторениями в диапазоне 390-450 нм. На рис. 8 представлены температурные зависимости интенсивности излучения БФЛ NV0 на 575 нм и БФЛ на 389 нм для образца № 3, удовлетворительно описывающиеся законом Мотта. Рис. 8. Температурные зависимости интенсивности бесфононной линии на длине волны 389 нм и бесфононной линии NV0-центра на длине волны 575 нм для образца № 3 Из полученных температурных зависимостей видно, что в спектрах КЛ свечение БФЛ NV0 наблюдается при температурах ниже ~ 450 К, а свечение БФЛ на 389 нм наблюдается вплоть до температуры 500 К. Также из спектров КЛ образца № 3 следует, что с ростом температуры выше 480 К максимум спектра КЛ, образованного фононными крыльями NV0- и NV--центров, смещается в длинноволновую область таким образом, что можно сделать вывод о большей скорости температурного тушения NV0-центров по сравнению с NV--центрами. Заключение Исследованы спектры катодолюминесценции синтетических алмазных образцов в широком температурном интервале от 80 до 800 К. Алмазные образцы имели различный примесно-дефектный состав и содержали как азотные центры окраски (N2V0-, NV0- и NV--центры), так и собственные дефекты, обусловленные междоузельными атомами (центры 389 нм). Обнаружено, что скорость температурного тушения NV0-центров выше по сравнению с NV--центрами при температурах ~ 500 К и выше. Полученные данные о температурном тушении КЛ исследованных алмазных образцов будут полезны в приложениях для высокотемпературной электроники и фотоники, например, при создании черенковских детекторов на основе алмаза для регистрации потоков электронов с энергией десятки - сотни килоэлектронвольт, когда основной вклад в излучение вносит катодолюминесценция.

Скачать электронную версию публикации