Актуальность
Среди веществ, встречающихся в природе алмаз является одним из наиболее ценных кристаллических веществ применяющийся как в науке, так и промышленности.
Алмаз является широкозонным полупроводником (5,5 эВ) имеющий уникальные свойства по сравнению с другими полупроводниками (Si, GaAs, InP), такие как, высокая плотность укладки атомов в решетке (0.16-0.18-10-6 см2/кг), высокая дырочная подвижность (3800 см2-В2-с-1) и электронная подвижность (4500 см2-В2-с-1), а также сильные межатомные связи, малая масса атома углерода и простая структура кристаллической решетки. Кроме того, все эти свойства обуславливают высокую теплопроводность (900¬2400 Вт/м-К) [1]. Так как алмаз обладает самой высокой температурой Дебая 2357 К [2, 3], комнатная температура в таком случае считается пониженной. Это обстоятельство позволяет, например, наблюдать люминесценцию свободных экситонов даже при комнатных температурах. Данный кристалл является химически инертным и имеет высокую радиационную стойкость (энергия образования вакансии 80 мэВ) что позволяет создавать устройства, работающие в экстремальных средах [4, 5]. Все эти свойства сделали алмаз уникальным и ценным материалом, что привело к необходимости развития технологий формирования синтетических алмазов и его применения в различных областях науки и техники.
Изучением алмаза, его свойств и потенциального применения занимаются многие научные группы по всему миру. Так, например научная группа из Франции занималась изучением синтетических алмазных образцов, легированных бором. Данные образцы использовались в качестве электродов для восстановления нитрат-ионов в нейтральных растворах и аммиака в основных растворах [6]. В г. Сан-Пауло научная группа создавала алмазоподобные углеродные пленки для микромеханических устройств [7]. В России в г. Троицк на основе природного алмаза создали детекторы импульсного рентгеновского и нейтронного излучения [8].
Несмотря на многолетнюю историю исследования алмаза, интерес к данному кристаллу не утихает до сих пор, а спектр его применения увеличивается с каждым годом. Существующие методы синтеза пока не позволяют создавать идентичные кристаллы, поэтому каждый синтетический алмазный кристалл обладает своими уникальными свойствами, на изучение которых и направлена данная работа.
Цель работы:
Регистрация спектров катодолюминесценции синтетических алмазных образцов с различным азот-вакансионным составом в температурном диапазоне от 80 до 500 К.
Задачи работы:
1. Регистрация спектров катодолюминесценции синтетических алмазов, содержащих различные азот-вакансионные центры.
2. Проведение аналитического сравнения спектров люминесценции образцов, содержащие NV0, NV-, N2V0 - центры.
3. Рассмотрение реабсорбции в нескольких образцах при воздействии электронного пучка, ионизация NV- центров.
4. Теоретическое описание полученных спектров при помощи разложения спектров катодолюминесценции на составляющие.
5. Рассмотрение возможности потенциального практического применения алмазов, содержащих те или иные центры окраски.
Объект, предмет и метод исследования.
В рамках данной работы были использованы методы исследования оптических свойств алмазных кристаллов такие как катодолюминесценция беспримесных алмазов и содержащих различные азот- вакансионные центры в широком диапазоне температур. Кроме того, алмазные образцы были исследованы методами спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) и инфракрасной (ИК) спектроскопии.
При воздействии пучком электронов на алмазный образец возникает свечение, называемое катодолюминесценцией. При малых энергиях электронов данный метод воздействия на образец является методом неразрушающего контроля совершенства кристаллической структуры. При длительном облучении кристалла электронами с достаточной энергией в структуре алмаза появляются дефекты, которые влияют на изменение цвета образца (образование вакансий и др. центров) или дислокацию кристаллической решетки. Таким образом, катодолюминесценция является важным методом контроля дефектов в кристаллической структуре алмазов, которые могут оказать влияние на их потенциальное использование в качестве датчиков, детекторов, вычислительных элементов и квантовых сенсоров.
Предметом исследования являются спектры излучения, ИК поглощения и комбинационного рассеяния.
Научная новизна
Предложенные в данной работе идеи, полученные результаты, а также предложенные методы исследования характеризуются несомненной новизной. В частности, в данной работе были исследованы зависимости интенсивности катодолюминесценции при температурах от 80 до 500 К.
Теоретическое и прикладное назначение
Результаты, полученные в данной работе, позволят уточнить сложившуюся физическую картину о примесно-дефектных центрах в алмазе за счёт использования импульсных сильноточных пучков для возбуждения катодолюминесценции и расширить возможности их применения.
Так, например, в дальнейшем нашей лабораторией будут создаваться оптоэлектронные алмазные детекторы и визуализаторы рентгеновского пучка.
В ходе работы был проведен анализ литературных данных по теме исследования, были исследованы спектры ИК поглощения, КР спектры, зарегистрированы спектры катодолюминесценции синтетических алмазных образцов с различным азот-вакансионным составом в температурном диапазоне от 80 до 500 К.
На основе проведенных экспериментальных исследований можно сделать выводы.
1. При экситонной люминесценции в беспримесных образцах, при увеличении температуры, происходит смещение максимума пика свободных экситонов от 234,9 нм до 236,4 нм. Что связано с разной скоростью заполнения четырех экситонных состояний.
2. Было зарегистрировано свечение экситонов при температуре выше комнатной (500 К).
3. Малопримесные алмазные образцы, имеющие люминесценцию в ультрафиолетовой области, потенциально могут применяться в качестве источников УФ излучения.
4. Рассмотрены механизмы возникновения полосы самопоглощения образца С43 содержащего NV- центры при возбуждении высокоэнергичным пучком.
5. Алмазные образцы с содержанием NV центров, имеющие люминесценцию в видимом диапазоне, потенциально могут применяться в качестве визуализаторов рентгеновских и электронных пучков, а также в качестве детекторов излучения.
6. При малых временах воздействия электронным пучком на образец, катодолюминесценцию можно использовать как метод неразрушающего контроля совершенства кристаллической структуры образца, а также анализа примесно-дефектного состава.
7. Были рассчитаны спектры катодолюминесценции алмазного образца с содержанием NV0 центров. Были выделены компоненты и построена температурная зависимость интенсивности каждой компоненты. Это поможет исследовать изменение интенсивности каждой компоненты разложения от температуры.
8. В будущем планируется продолжать работу по расчетам спектров катодолюминесценции. Исследовать большее количество образцов. Поучаствовать в создании монитора рентгеновского пучка, и детектора солнечного ветра.
