ВАКУУМНАЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ И ЛАЗЕРНАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КРИСТАЛЛОВ SrAlF5, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ Сe3+ И Gd3+
|
Общая характеристика работы
Содержание работы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
Содержание работы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
Актуальность работы. Такие сложные фторидные кристаллы как Ce3+ :LiCaAIFe и Ce3+ :LiSrA 1F6уже используются в лазерной технике и обладают определенными преимуществами по сравнению с традиционными источниками ультрафиолетового излучения. В число преимуществ входят высокая конверсионная эффективность (до 47 %), широкая полоса излучения 281-315 нм и возможность использования в устройствах, основанных на применении ультракоротких импульсов (см. например [1]). Все это дало толчок к поиску новых материалов, легированных ионами Се3+, обладающих свойствами, которые позволят еще улучшить указанные выше характеристики. Важным преимуществом при этом является возможность накачки материала твердотельными лазерами, и построения полностью твердотельных (all-solid¬state) лазерных систем. В 1998 году в работе [2] был предложен метод спектроскопической аналогии для поиска материалов, легированных ионами Се3+, которые могут являться перспективными для построения таких систем. Для накачки рабочего кристалла предполагалось использовать четвертую гармонику лазера на иттрий-алюминиевом гранате, легированном ионами неодима. В результате проведенного в этой работе поиска были выбраны кристаллы SrAlF5, до этого известные как лазерные источники излучения в ближней ИК области при легировании ионами Сг3+[3].
К настоящему моменту изучена структура кристаллов SrAlF5и получены первичные данные по люминесценции некоторых редкоземельных ионов в этой матрице. Однако, многие их свойства, важные как с точки зрения лазерной генерации, так и с фундаментальной точки зрения, остаются неизученными. Так, работы о структуре SrAlF5(см. например [4, 5]) сообщают о наличии четырех неэквивалентных позиций иона Si2+, которые замещаются редкоземельными ионами при легировании. Кроме того, для замещения трехвалентным активатором требуется зарядовая компенсация, обеспечение которой может происходить различными способами, в том числе локально. Это дает возможность образования нескольких неэквивалентных центров люминесценции при введении Ce3+как ионов замещения Sr2+. Кроме того, совершенно неизученными остаются вопросы передачи энергии в этих кристаллах при межзонном возбуждении, процессы автолокализации экситонов, природа собственник дефектов кристалла и их взаимодействия с примесными центрами.
Цель диссертационной работы — комплексное исследование и установление закономерностей протекания процессов возбуждения, излучательной и безызлучательной релаксации различных центров фотолюминесценции (ФЛ) на основе ионов Се3+, занимающих неэквивалентные позиции в кристалле 8ГЛ1Е5, а также изучение механизмов передачи энергии электронных возбуждений примесным центрам.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи фундаментального характера с использованием методов люминесцентной время-разрешенной вакуумной ультрафиолетовой спектроскопии и вспомогательных методик:
1. Определить спектроскопические характеристики и установить число неэквивалентных центров ФЛ на основе ионов Се3+ в кристаллах Се3+: 8ГЛ1Р5;
2. С помощью моделирования расщепления электронной М-оболочки кристаллическим полем провести идентификацию обнаруженных центров ФЛ;
3. Изучить механизмы и динамику процессов передачи энергии к примесным центрам при создании электронно-дырочных пар излучением, лежащим в ультрамягкой рентгеновской области спектра;
4. Изучить люминесценцию собственных электронных возбуждений кристаллов 8ГЛ1Р5, установить роль и степень их участия в процессах возбуждения излучательных переходов в редкоземельных ионах Се3' п Об3+;
5. Установить роль и степень участия дефектов кристаллической решетки 8ГЛ1Е5В процессах возбуждения излучательных переходов в редкоземельных ионах.
Научная новизна.
1. Впервые детально изучена люминесценция неэквивалентных центров ФЛ на основе ионов Се3+ в кристаллах Се3+:8ГЛ1Е5, И установлено количество и спектроскопические характеристики этих центров.
2. В рамках модели обменных зарядов впервые произведен расчет расщепления электронных 5^-оболочек для четырех различных неэквивалентных позиций ионов Се3+, замещающих ионы 8г2+ в кристаллах 8гА1Р5. Определена: параметры кристаллического поля для такого замещения.
3. Впервые предложен и применен полуэмпирический метод получения данных о занимаемой кристаллографической позиции центров ФЛ, образованных редкоземельными ионами, в спектрах возбуждения ФЛ которых проявляются 4/ ^ 5<1 переходы.
4. Впервые исследована ФЛ дефектов кристаллической структуры 8гА1Р5, изучена из роль в процессах передачи энергии к редкоземельным ионам Се3' п оа3+.
5. Впервые определены характеристики люминесценции автолокализованных экситонов (АЛЭ) в этих кристаллах, при возбуждении фотонами в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) и ультрамягкой рентгеновской областях спектра.
Научная и практическая значимость работы. Диссертационная работа вносит вклад в понимание процессов, формирующих оптические и люминесцентные свойства различных неэквивалентных Се3+-центров фотолюминесценции в кристаллах Се3+: 8гА1Р5, а также в понимание процессов создания, релаксации и преобразования энергии собственных низкоэнергетических электронных возбуждений. Результаты работы показывают возможные преимущества данных кристаллов как активной оптической среды для работы в УФ-диапазоне при накачке четвертой гармоникой лазера на иттрий-алюминиевом гранате (266 нм), и создают научную базу для последующих исследований в этой области, что представляет интерес для практического применения Се3+:8гА1Р5 в лазерной технике.
Предложен метод для определения кристаллографических позиций ионов лантаноида, образующих неэквивалентные центры ФЛ. Он позволяет получить предварительные данные о кристаллографической позиции «регулярных» (т.е. находящихся в регулярных узлах решетки) центров ФЛ с помощью относительно простого расчета, без применения дорогостоящих экспериментальных методик. Этот метод может быть применен к кристаллам со сложной структурой, в которых ионы лантаноидов занимают несколько неэквивалентных позиций, а в спектрах возбуждения ФЛ которых проявляются 4/ ^ 54 переходы.
Данные по люминесценции дефектов в кристаллах ЭгЛ1Р5 могут быть использованы для разработки независимых высокочувствительных методов контроля качества при выращивании коммерческих кристаллов.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. В спектрах оптического поглощения и возбуждения ФЛ кристаллов Се3+ :ЭгЛ1Р5 проявляется набор полос, соответствующих межконфигурационным переходам 4/1 ^ 4/0б^1 в ионах Се3+, расположенных в трех неэквивалентных кристаллографических позициях. В первых двух случаях («регулярные» центрах) ионы Се3+ замещают ионы Эг2+ в регулярных узлах решетки, а компенсация заряда производится удаленным дефектом, не влияющим на расщепление 5^-оболочки примесного иона. В третьем случае «возмущенный» центр ФЛ образован ионом Се3+, рядом с которым расположен дефект, служащий для компенсации избыточного положительного заряда примесного иона. Данный дефект существенным образом искажает кристаллическое поле, что отражается на расщеплении 5^-подуровней Се3+.
2. Один из «регулярных» центров ФЛ, обозначенный (с), сформирован замещением иона Эг2+ ионом Се3+ в позиции 8г-1. Аналогично, другой «регулярный» центр, обозначенный (6), сформирован замещением иона Эг2' ионом Се3+ в позиции Эг-З. Вывод об этом сделан с помощью предложенного метода для определения кристаллографической позиции ионов Се3+ «регулярных» центров ФЛ, базирующегося на модели обменных зарядов.
3. В кристаллах ЭгЛ1Р5 при Т<100 К обнаружена люминесценция автолокализованных экситонов, которая проявляется в спектрах ФЛ в виде широкой неэлементарной полосы, перекрывающей диапазон энергий 3,2-4,5 эВ. Автолокализация экситонов осуществляется в нескольких неэквивалентных узлах кристаллической решетки.
4. В легированных кристаллах ЭгЛ1Р5 передача энергии электронных возбуждений к ионам Се3' п О43+ происходит по различным механизмам, эффективность которых значительно зависит от температуры. При низких температурах для ионов Се3+характерен экситонный механизм передачи энергии, реализованный через образование связанных экситонов; для ионов Gd3+рекомбинационный механизм эффективен во всем диапазоне температур 5-300 К.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на следующих конференциях: VII Международной конференции по люминесцентным детекторам и преобразователям ионизирующего излучения — LUMDETR (Краков, Польша, 2009); XI Еврофизической конференции по дефектам в диэлектрических материалах — EURODIM (Печ, Венгрия, 2010); I Международной конференции по люминесценции лантаноидов — ICLL (Одесса, Украина, 2010); XVII Международной конференции по применению синхротронного излучения — SR-2008 (Новосибирск); Юбилейной научно-практической конференции ФТФ-60 (Екатеринбург, 2009); научных семинарах Института физики университета г. Тарту (Эстония, 2009, 2010).
Публикации. Материалах диссертации опубликованы в 18 научных ра¬ботах, из них 6 статей в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, 7 статей в сборниках научных трудов и материалов конференций и 5 тезисов докладов.
Личный вклад автора. Постановка задач и определение направлений исследования были проведены совместно с научным руководителем. Подавляющая часть экспериментов на канале ВУФ-спектроскопии (станция SUPERLUMI) и на канале BW3 (спектроскопия в области мягкого рентгеновского излучения) в лаборатории синхротронного излучения HASYLAB (DESY, Гамбург) выполнена лично автором. Экспериментах по лазерной спектроскопии и исследованию катодолюминесценции проведены совместно с сотрудниками Института физики университета г. Тарту (Эстония) И. Сильдосом, В. Кииском, Э. Фельдбахом. Расчет по методу обменных зарядов проведен совместно с М. Бриком, при этом автору принадлежит формулирование цели расчета, подготовка исходных данных и интерпретация результатов. Обработка, анализ и интерпретация всех экспериментальных данных, обобщение результатов, подготовка научных публикаций и докладов, формулировка выводов и защищаемых положений по диссертации принадлежат автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературах. Объем диссертации составляет 149 страниц, включая 57 рисунков и 4 таблицы, список цитируемой литературы из 98 наименований.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой кафедры экспериментальной физики УрФУ (>3925 «Исследование физических свойств и структуры материалов различной природы при воздействии на них корпускулярного и электромагнитного излучений»), поддержана грантом РФФИ > 05-02-16530-а, совместными проектами с Немецким электронным синхротроном DESY (проекты HASYLAB > 20080019, 20080119-ЕС), а также личным грантом, выделенным автору по программе международного сотрудничества DoRa 5 фондом Архимедес (Archimedes, Эстония), благодаря которому автор имел возможность стажировки и выполнения экспериментов в Институте физики университета г. Тарту под руководством д-ра М. Кирма в течение 2010-2011 годов.
К настоящему моменту изучена структура кристаллов SrAlF5и получены первичные данные по люминесценции некоторых редкоземельных ионов в этой матрице. Однако, многие их свойства, важные как с точки зрения лазерной генерации, так и с фундаментальной точки зрения, остаются неизученными. Так, работы о структуре SrAlF5(см. например [4, 5]) сообщают о наличии четырех неэквивалентных позиций иона Si2+, которые замещаются редкоземельными ионами при легировании. Кроме того, для замещения трехвалентным активатором требуется зарядовая компенсация, обеспечение которой может происходить различными способами, в том числе локально. Это дает возможность образования нескольких неэквивалентных центров люминесценции при введении Ce3+как ионов замещения Sr2+. Кроме того, совершенно неизученными остаются вопросы передачи энергии в этих кристаллах при межзонном возбуждении, процессы автолокализации экситонов, природа собственник дефектов кристалла и их взаимодействия с примесными центрами.
Цель диссертационной работы — комплексное исследование и установление закономерностей протекания процессов возбуждения, излучательной и безызлучательной релаксации различных центров фотолюминесценции (ФЛ) на основе ионов Се3+, занимающих неэквивалентные позиции в кристалле 8ГЛ1Е5, а также изучение механизмов передачи энергии электронных возбуждений примесным центрам.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи фундаментального характера с использованием методов люминесцентной время-разрешенной вакуумной ультрафиолетовой спектроскопии и вспомогательных методик:
1. Определить спектроскопические характеристики и установить число неэквивалентных центров ФЛ на основе ионов Се3+ в кристаллах Се3+: 8ГЛ1Р5;
2. С помощью моделирования расщепления электронной М-оболочки кристаллическим полем провести идентификацию обнаруженных центров ФЛ;
3. Изучить механизмы и динамику процессов передачи энергии к примесным центрам при создании электронно-дырочных пар излучением, лежащим в ультрамягкой рентгеновской области спектра;
4. Изучить люминесценцию собственных электронных возбуждений кристаллов 8ГЛ1Р5, установить роль и степень их участия в процессах возбуждения излучательных переходов в редкоземельных ионах Се3' п Об3+;
5. Установить роль и степень участия дефектов кристаллической решетки 8ГЛ1Е5В процессах возбуждения излучательных переходов в редкоземельных ионах.
Научная новизна.
1. Впервые детально изучена люминесценция неэквивалентных центров ФЛ на основе ионов Се3+ в кристаллах Се3+:8ГЛ1Е5, И установлено количество и спектроскопические характеристики этих центров.
2. В рамках модели обменных зарядов впервые произведен расчет расщепления электронных 5^-оболочек для четырех различных неэквивалентных позиций ионов Се3+, замещающих ионы 8г2+ в кристаллах 8гА1Р5. Определена: параметры кристаллического поля для такого замещения.
3. Впервые предложен и применен полуэмпирический метод получения данных о занимаемой кристаллографической позиции центров ФЛ, образованных редкоземельными ионами, в спектрах возбуждения ФЛ которых проявляются 4/ ^ 5<1 переходы.
4. Впервые исследована ФЛ дефектов кристаллической структуры 8гА1Р5, изучена из роль в процессах передачи энергии к редкоземельным ионам Се3' п оа3+.
5. Впервые определены характеристики люминесценции автолокализованных экситонов (АЛЭ) в этих кристаллах, при возбуждении фотонами в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) и ультрамягкой рентгеновской областях спектра.
Научная и практическая значимость работы. Диссертационная работа вносит вклад в понимание процессов, формирующих оптические и люминесцентные свойства различных неэквивалентных Се3+-центров фотолюминесценции в кристаллах Се3+: 8гА1Р5, а также в понимание процессов создания, релаксации и преобразования энергии собственных низкоэнергетических электронных возбуждений. Результаты работы показывают возможные преимущества данных кристаллов как активной оптической среды для работы в УФ-диапазоне при накачке четвертой гармоникой лазера на иттрий-алюминиевом гранате (266 нм), и создают научную базу для последующих исследований в этой области, что представляет интерес для практического применения Се3+:8гА1Р5 в лазерной технике.
Предложен метод для определения кристаллографических позиций ионов лантаноида, образующих неэквивалентные центры ФЛ. Он позволяет получить предварительные данные о кристаллографической позиции «регулярных» (т.е. находящихся в регулярных узлах решетки) центров ФЛ с помощью относительно простого расчета, без применения дорогостоящих экспериментальных методик. Этот метод может быть применен к кристаллам со сложной структурой, в которых ионы лантаноидов занимают несколько неэквивалентных позиций, а в спектрах возбуждения ФЛ которых проявляются 4/ ^ 54 переходы.
Данные по люминесценции дефектов в кристаллах ЭгЛ1Р5 могут быть использованы для разработки независимых высокочувствительных методов контроля качества при выращивании коммерческих кристаллов.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. В спектрах оптического поглощения и возбуждения ФЛ кристаллов Се3+ :ЭгЛ1Р5 проявляется набор полос, соответствующих межконфигурационным переходам 4/1 ^ 4/0б^1 в ионах Се3+, расположенных в трех неэквивалентных кристаллографических позициях. В первых двух случаях («регулярные» центрах) ионы Се3+ замещают ионы Эг2+ в регулярных узлах решетки, а компенсация заряда производится удаленным дефектом, не влияющим на расщепление 5^-оболочки примесного иона. В третьем случае «возмущенный» центр ФЛ образован ионом Се3+, рядом с которым расположен дефект, служащий для компенсации избыточного положительного заряда примесного иона. Данный дефект существенным образом искажает кристаллическое поле, что отражается на расщеплении 5^-подуровней Се3+.
2. Один из «регулярных» центров ФЛ, обозначенный (с), сформирован замещением иона Эг2+ ионом Се3+ в позиции 8г-1. Аналогично, другой «регулярный» центр, обозначенный (6), сформирован замещением иона Эг2' ионом Се3+ в позиции Эг-З. Вывод об этом сделан с помощью предложенного метода для определения кристаллографической позиции ионов Се3+ «регулярных» центров ФЛ, базирующегося на модели обменных зарядов.
3. В кристаллах ЭгЛ1Р5 при Т<100 К обнаружена люминесценция автолокализованных экситонов, которая проявляется в спектрах ФЛ в виде широкой неэлементарной полосы, перекрывающей диапазон энергий 3,2-4,5 эВ. Автолокализация экситонов осуществляется в нескольких неэквивалентных узлах кристаллической решетки.
4. В легированных кристаллах ЭгЛ1Р5 передача энергии электронных возбуждений к ионам Се3' п О43+ происходит по различным механизмам, эффективность которых значительно зависит от температуры. При низких температурах для ионов Се3+характерен экситонный механизм передачи энергии, реализованный через образование связанных экситонов; для ионов Gd3+рекомбинационный механизм эффективен во всем диапазоне температур 5-300 К.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на следующих конференциях: VII Международной конференции по люминесцентным детекторам и преобразователям ионизирующего излучения — LUMDETR (Краков, Польша, 2009); XI Еврофизической конференции по дефектам в диэлектрических материалах — EURODIM (Печ, Венгрия, 2010); I Международной конференции по люминесценции лантаноидов — ICLL (Одесса, Украина, 2010); XVII Международной конференции по применению синхротронного излучения — SR-2008 (Новосибирск); Юбилейной научно-практической конференции ФТФ-60 (Екатеринбург, 2009); научных семинарах Института физики университета г. Тарту (Эстония, 2009, 2010).
Публикации. Материалах диссертации опубликованы в 18 научных ра¬ботах, из них 6 статей в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, 7 статей в сборниках научных трудов и материалов конференций и 5 тезисов докладов.
Личный вклад автора. Постановка задач и определение направлений исследования были проведены совместно с научным руководителем. Подавляющая часть экспериментов на канале ВУФ-спектроскопии (станция SUPERLUMI) и на канале BW3 (спектроскопия в области мягкого рентгеновского излучения) в лаборатории синхротронного излучения HASYLAB (DESY, Гамбург) выполнена лично автором. Экспериментах по лазерной спектроскопии и исследованию катодолюминесценции проведены совместно с сотрудниками Института физики университета г. Тарту (Эстония) И. Сильдосом, В. Кииском, Э. Фельдбахом. Расчет по методу обменных зарядов проведен совместно с М. Бриком, при этом автору принадлежит формулирование цели расчета, подготовка исходных данных и интерпретация результатов. Обработка, анализ и интерпретация всех экспериментальных данных, обобщение результатов, подготовка научных публикаций и докладов, формулировка выводов и защищаемых положений по диссертации принадлежат автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературах. Объем диссертации составляет 149 страниц, включая 57 рисунков и 4 таблицы, список цитируемой литературы из 98 наименований.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой кафедры экспериментальной физики УрФУ (>3925 «Исследование физических свойств и структуры материалов различной природы при воздействии на них корпускулярного и электромагнитного излучений»), поддержана грантом РФФИ > 05-02-16530-а, совместными проектами с Немецким электронным синхротроном DESY (проекты HASYLAB > 20080019, 20080119-ЕС), а также личным грантом, выделенным автору по программе международного сотрудничества DoRa 5 фондом Архимедес (Archimedes, Эстония), благодаря которому автор имел возможность стажировки и выполнения экспериментов в Институте физики университета г. Тарту под руководством д-ра М. Кирма в течение 2010-2011 годов.
На основе проведенных исследований в данной диссертационной работе сформулированы следующие результаты и выводы:
1. В спектрах ФЛ и возбуждения ФЛ кристаллов Ce3+ :SrAlF5проявляется набор полос, соответствующих 4/ о 5^ переходам в ионах Се3+, расположенных в нескольких неэквивалентных кристаллографических позициях. Установлено, что число центров ФЛ, образованных ионами Се3+ равно трем, причем в двух случаях («регулярные» центры, обозначенные (6) и (с)) ионых Се3+ замещают ионых Эг2+ в регулярных узлах решетки, а компенсация заряда производится удаленным дефектом, не влияющим значительно на расщепление 5^-оболочки примесного иона. В третьем случае центр ФЛ, обозначенный (а), образован ионом Се3+, рядом с которым расположен дефект, служащий для компенсации избыточного положительного заряда примесного иона. Данный дефект заметно искажает кристаллическое поле, что отражается на расщеплении 5^-подуровней Се3+.
2. В рамках полуэмпирической модели обменных зарядов произведен расчет расщепления электронных 5^-оболочек для четырех различных неэквивалентных позиций ионов Се3+, замещающих ионых Эг2+. Определенных параметрах кристаллического поля для такого замещения. На основании расчета предложен метод определения кристаллографической позиции иона Се3+ для «регулярных» центров ФЛ. Метод позволяет получить предварительные данные о занимаемой кристаллографической позиции «регулярных» центров ФЛ с помощью относительно простого расчета, и может быть применен к соединениям, в кристаллической структуре которых ионы лантаноидов занимают несколько неэквивалентных позиций, и в спектрах возбуждения ФЛ которых проявляются 4/ ^ 5<Л переходы. С помощью предложенного метода выявлено, что центр ФЛ (с) сформирован замещением иона Эг2+ ионом Се3+ в позиции 8г-1. Аналогично, центр (6) сформирован замещением иона Эг2+ ионом Се3+ в позиции Эг-З.
3. Во всех исследованных образцах присутствуют несколько типов дефектов кристаллической структуры, проявляющиеся в виде центров ФЛ. Обнаружен эффективный резонансный безызлучательный канал передачи энергии от дефектов одного из типов к Се3' п Об3+. В то же время внутри- центровое возбуждение люминесценции ионов Об3+ неэффективно, из-за наличия канала передачи энергии от ионов Об3+ к дефектам, возможно служащим для локальной компенсации избыточного заряда.
4. Вся совокупность данных о люминесценции примесных ионов при возбуждении в области фундаментального поглощения свидетельствует о том, что передача энергии к ионам Об3+ происходит преимущественно по рекомбинационному механизму. Для ионов Се3+ этот механизм менее эффективен и становится заметен при Т>250 К и только при возбуждении фотонами с энергией Ев03б^Ед. При низких температурах, когда не происходит прыжковой миграции АЛЭ, наиболее вероятен экситонный механизм передачи энергии, реализованный через образование связанных экситонов. Однако такой канал неэффективен для ионов Об3+. Таким образом, выявлено, что передача энергии электронных возбуждений к ионам Се3+ и Об3+ происходит по различным механизмам, эффективность которых зависит от температуры.
5. В кристаллах 8гА1Е5 наблюдается люминесценция АЛЭ. Она проявляется в виде широкой неэлементарной полосы, перекрывающей диапазон энергий 3,2-4,5 эВ и имеющей кинетику затухания микро- и миллисекундного диапазонов. При температуре порядка 100 К происходит температурное тушение этой ФЛ, вероятно, из-за начала прыжковой миграции АЛЭ и последующей передачи энергии центрам тушения. Экспериментально показано проявление автолокализации экситонов в нескольких неэквивалентных узлах кристаллической решетки. Поскольку в кристаллах 8гА1Е5 содержится 20 неэквивалентных позиций аниона, это дает возможность для существования достаточно большого числа неэквивалентных положений молекулярного иона Е- (который является моделью дырочного ядра АЛЭ). В результате полоса ФЛ АЛЭ является аномально широкой и неэлементарной.
6. Для разработки полностью твердотельного импульсного лазера с регулируемой длиной волны на основе Се3+ :8гА1Е5 центр (а) является наиболее перспективным, так как, во-первых, позволяет использовать в качестве накачки четвертую гармонику лазера на иттрий-алюминиевом гранате (266 нм), производимого промышленностью, а во-вторых, имея более широкую полосу ФЛ, позволяет перестройку длины волны излучения в более широких пределах, чем другие центры ФЛ или даже уже разработанные лазеры на кристалле Се3+:ЫСаА1Еб. В связи с этим требуется детальное дальнейшее изучение природы «возмущения» центра (а) и разработка технологии роста кристаллов с высокой долей содержания таких центров.
1. В спектрах ФЛ и возбуждения ФЛ кристаллов Ce3+ :SrAlF5проявляется набор полос, соответствующих 4/ о 5^ переходам в ионах Се3+, расположенных в нескольких неэквивалентных кристаллографических позициях. Установлено, что число центров ФЛ, образованных ионами Се3+ равно трем, причем в двух случаях («регулярные» центры, обозначенные (6) и (с)) ионых Се3+ замещают ионых Эг2+ в регулярных узлах решетки, а компенсация заряда производится удаленным дефектом, не влияющим значительно на расщепление 5^-оболочки примесного иона. В третьем случае центр ФЛ, обозначенный (а), образован ионом Се3+, рядом с которым расположен дефект, служащий для компенсации избыточного положительного заряда примесного иона. Данный дефект заметно искажает кристаллическое поле, что отражается на расщеплении 5^-подуровней Се3+.
2. В рамках полуэмпирической модели обменных зарядов произведен расчет расщепления электронных 5^-оболочек для четырех различных неэквивалентных позиций ионов Се3+, замещающих ионых Эг2+. Определенных параметрах кристаллического поля для такого замещения. На основании расчета предложен метод определения кристаллографической позиции иона Се3+ для «регулярных» центров ФЛ. Метод позволяет получить предварительные данные о занимаемой кристаллографической позиции «регулярных» центров ФЛ с помощью относительно простого расчета, и может быть применен к соединениям, в кристаллической структуре которых ионы лантаноидов занимают несколько неэквивалентных позиций, и в спектрах возбуждения ФЛ которых проявляются 4/ ^ 5<Л переходы. С помощью предложенного метода выявлено, что центр ФЛ (с) сформирован замещением иона Эг2+ ионом Се3+ в позиции 8г-1. Аналогично, центр (6) сформирован замещением иона Эг2+ ионом Се3+ в позиции Эг-З.
3. Во всех исследованных образцах присутствуют несколько типов дефектов кристаллической структуры, проявляющиеся в виде центров ФЛ. Обнаружен эффективный резонансный безызлучательный канал передачи энергии от дефектов одного из типов к Се3' п Об3+. В то же время внутри- центровое возбуждение люминесценции ионов Об3+ неэффективно, из-за наличия канала передачи энергии от ионов Об3+ к дефектам, возможно служащим для локальной компенсации избыточного заряда.
4. Вся совокупность данных о люминесценции примесных ионов при возбуждении в области фундаментального поглощения свидетельствует о том, что передача энергии к ионам Об3+ происходит преимущественно по рекомбинационному механизму. Для ионов Се3+ этот механизм менее эффективен и становится заметен при Т>250 К и только при возбуждении фотонами с энергией Ев03б^Ед. При низких температурах, когда не происходит прыжковой миграции АЛЭ, наиболее вероятен экситонный механизм передачи энергии, реализованный через образование связанных экситонов. Однако такой канал неэффективен для ионов Об3+. Таким образом, выявлено, что передача энергии электронных возбуждений к ионам Се3+ и Об3+ происходит по различным механизмам, эффективность которых зависит от температуры.
5. В кристаллах 8гА1Е5 наблюдается люминесценция АЛЭ. Она проявляется в виде широкой неэлементарной полосы, перекрывающей диапазон энергий 3,2-4,5 эВ и имеющей кинетику затухания микро- и миллисекундного диапазонов. При температуре порядка 100 К происходит температурное тушение этой ФЛ, вероятно, из-за начала прыжковой миграции АЛЭ и последующей передачи энергии центрам тушения. Экспериментально показано проявление автолокализации экситонов в нескольких неэквивалентных узлах кристаллической решетки. Поскольку в кристаллах 8гА1Е5 содержится 20 неэквивалентных позиций аниона, это дает возможность для существования достаточно большого числа неэквивалентных положений молекулярного иона Е- (который является моделью дырочного ядра АЛЭ). В результате полоса ФЛ АЛЭ является аномально широкой и неэлементарной.
6. Для разработки полностью твердотельного импульсного лазера с регулируемой длиной волны на основе Се3+ :8гА1Е5 центр (а) является наиболее перспективным, так как, во-первых, позволяет использовать в качестве накачки четвертую гармонику лазера на иттрий-алюминиевом гранате (266 нм), производимого промышленностью, а во-вторых, имея более широкую полосу ФЛ, позволяет перестройку длины волны излучения в более широких пределах, чем другие центры ФЛ или даже уже разработанные лазеры на кристалле Се3+:ЫСаА1Еб. В связи с этим требуется детальное дальнейшее изучение природы «возмущения» центра (а) и разработка технологии роста кристаллов с высокой долей содержания таких центров.