Катодолюминесценция азот-вакансионных центров синтетических алмазов
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1. Синтез, свойства и применение синтетического алмаза 10
1.1 Синтез алмазов 10
1.1.1. Метод газохимического осаждения 10
1.1.2. Метод температурного градиента 10
1.2 Виды дефектов кристаллической решетки алмаза 11
1.2.1. Азот-вакансионные центры 12
1.2.2. Электрон-колебательная система 3Н 15
1.2.3. Электрон-колебательная система TR12 16
1.2.4. Электрон-колебательная система 389 нм 16
1.3. Современное состояние исследования катодолюминесценции алмаза 17
2. Методы исследования спектральных свойств алмаза 19
2.1 Люминесценция и ее виды 19
2.2 Инфракрасного поглощения и комбинационного рассеяния 20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 38
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 39
ПРИЛОЖЕНИЕ А 44
ВВЕДЕНИЕ 6
1. Синтез, свойства и применение синтетического алмаза 10
1.1 Синтез алмазов 10
1.1.1. Метод газохимического осаждения 10
1.1.2. Метод температурного градиента 10
1.2 Виды дефектов кристаллической решетки алмаза 11
1.2.1. Азот-вакансионные центры 12
1.2.2. Электрон-колебательная система 3Н 15
1.2.3. Электрон-колебательная система TR12 16
1.2.4. Электрон-колебательная система 389 нм 16
1.3. Современное состояние исследования катодолюминесценции алмаза 17
2. Методы исследования спектральных свойств алмаза 19
2.1 Люминесценция и ее виды 19
2.2 Инфракрасного поглощения и комбинационного рассеяния 20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 38
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 39
ПРИЛОЖЕНИЕ А 44
Актуальность
Уникальные физические свойства алмаза, такие как химическая, механическая и радиационная стойкость, высокая теплопроводность (900-2400 Вт/м-К), широкая запрещенная зона (5.5 эВ), высокая подвижность зарядов (дырочная подвижность (3800 см2-В2-с-1) и электронная подвижность (4500 см2-В2-с-1)) по сравнению с другими полупроводниковыми материалами [1] делают синтетический алмаз перспективным полупроводниковым материалом. Эти факты позволяют использовать синтетические алмазные образцы в электронике, оптике, медицине и других областях науки и техники. Алмаз обладает высокой температурой Дебая (2357 К) [2, 3], в связи с чем комнатная температура для данного материала считается пониженной. Благодаря этому можно наблюдать экситонную люминесценцию при достаточно высоких температурах, например при комнатной и выше. Все эти свойства делают алмаз уникальным и ценным материалом, что привело к необходимости развития технологий производства синтетических алмазов и его применения в различных областях науки и техники.
На сегодняшний день удается производить направленное контролируемое изменение свойств кристалла, в результате которого создаются точечные радиационные дефекты. К наиболее изученным примесно- дефектным центрам относится NV центры в нейтральном NV0 с БФЛ на 575 нм (2.157 эВ) и в отрицательном NV с БФЛ на 637 нм (1.947 эВ) зарядовых соФстояниях. Помимо NV-центров существуют также и другие центры окраски алмаза, формирующиеся при радиационно-термической обработке.
Несмотря на многолетнюю историю изучения алмаза, интерес к данному кристаллу не утихает, а спектр его применения увеличивается с каждым годом. Так в Институте общей физики имени А. М. Прохорова группа ученых занимается синтезом алмазных образцов и изучением их примесно дефектного состава [4 - 6]. Кроме этого, в мире активно развивается применение наноалмазов в биомедицине. В работах [7,8] рассматриваются возможные области применения наноалмазов, а также способы их образования и свойства. Также в г. Санкт-Петербург [9] и г. Москва [10] группы ученых занимаются магнитометрией на основе монокристалла синтетического алмаза.
Недостатками, которые не позволяют на данный момент перевести всю электронику на алмаз является то, что невозможно синтезировать образцы больших размеров монокристалла. Максимальный размер синтезированных поликристаллических образцов на сегодняшний день составляет около 190 мм [11], а монокристаллических ~ 28 мм. Еще одним недостатком является то, что невозможно синтезировать два абсолютно одинаковых образца из-за особенностей синтеза.
Тем не менее, немаловажным является исследование свойств получаемых кристаллов. К современным методам изучения свойств алмаза можно отнести такие как: ИК спектроскопия, КР спектроскопия, люминесценция, поглощение (видимый и ИК диапазон), ОДМР (оптически детектируемый магнитный резонанс) и ЯМР (ядерный магнитный резонанс). Одним из информативных и простых в проведении методов исследования является люминесцентный. В данной работе были использованы катодолюминесценция, фотолюминесценция и ИК спектроскопия.
Цель работы:
Анализ спектров катодолюминесценции синтетических ВДВТ алмазных образцов подвергнутых радиационно термической обработки в температурном диапазоне от 90 до 800 К.
Задачи работы:
1. Обзор современных литературных источников по теме исследования
2. Сборка и запуск экспериментальных установок
3. Регистрация спектров ИК поглощения и фотолюминесценции алмазных ВДВТ образцов
4. Регистрация спектров катодолюминесценции алмазов в температурном диапазоне от 90 до 800 К
5. Обработка и анализ полученных спектров люминесценции образцов, построение температурных зависимостей
Объект, предмет и метод исследования.
В рамках данной работы были использованы методы исследования оптических свойств алмазных кристаллов такие как катодо- и фото- люминесценция и содержащих различные азот- вакансионные центры в широком диапазоне температур. Кроме того, алмазные образцы были исследованы методами спектроскопии 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 анализа. При длительном облучении кристалла электронами с достаточной концентрацией и 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 является примесно дефектный состав.
Положения, выносимые на защиту:
1. При возбуждении люминесценции алмазных ВДВТ кристаллов подвергнутых радиационно-термической обработке электронным пучком с энергией электронов до 300 кэВ и содержащие центры 3H, TR12 и H4, характер температурных зависимостей катодолюминесценции центров (389 нм, TR12, H4, NV0) в области от 90 до 800 К описывается законом Мотта. Для центра 3Н температурная зависимость катодолюминесценции в том же интервале температур также подчиняется закону Мотта, но в области температур от 270 до 300 К имеется локальный максимум, обусловленный термостимулированной катодолюминесценцией
2. В алмазных образцах синтезированных методом ВДВТ и подвергнутых радиационно-термической обработке при возбуждении катодолюминесценции электронным пучком с энергией электронов до 300 кэВ в спектрах катодолюминесценции наблюдается свечение центров 389 нм, TR12, H4, 3H, NV0, вызванное неселективным возбуждением высокоэнергетичными электронами. При селективном лазерном возбуждении фотолюминесценции с длинами волн 450 и 520 нм в спектрах фотолюминесценции наблюдается свечение центров 3Н, NV0, Nis (для лазера 450 нм), и NV0 (для лазера 520 нм).
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 90 до 800 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.
Публикации по теме диссертации и апробация результатов исследования
Результаты работы докладывались автором и обсуждались на международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2025, 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, Томск, Россия, 2024, Материалах и технологиях фотоники, электроники и нелинейной оптики с международным участием, Томск, 2024.
Публикации автора по теме магистерской диссертации:
1. Спектры свечения малопримесных алмазных образцов под действием пучков электронов с энергией десятки кэВ - единицы МэВ / А. А. Крылов, А. Г. Бураченко, В. С. Рипенко [и др.] // Технологии безопасности жизнедеятельности. - 2024. - № 8. - С. 37-44. - DOI 10.17223/29491665/8/5
2. Катодо-, фото- и рентгенолюминесценция синтетического алмаза,
содержащего '::-центры / В. С. Рипенко, Д. А. Переседова, И. С. Гусев [и др.] // Технологии безопасности жизнедеятельности. - 2024. - № 8. - С. 45-51. - DOI
10.17223/29491665/8/6.
Уникальные физические свойства алмаза, такие как химическая, механическая и радиационная стойкость, высокая теплопроводность (900-2400 Вт/м-К), широкая запрещенная зона (5.5 эВ), высокая подвижность зарядов (дырочная подвижность (3800 см2-В2-с-1) и электронная подвижность (4500 см2-В2-с-1)) по сравнению с другими полупроводниковыми материалами [1] делают синтетический алмаз перспективным полупроводниковым материалом. Эти факты позволяют использовать синтетические алмазные образцы в электронике, оптике, медицине и других областях науки и техники. Алмаз обладает высокой температурой Дебая (2357 К) [2, 3], в связи с чем комнатная температура для данного материала считается пониженной. Благодаря этому можно наблюдать экситонную люминесценцию при достаточно высоких температурах, например при комнатной и выше. Все эти свойства делают алмаз уникальным и ценным материалом, что привело к необходимости развития технологий производства синтетических алмазов и его применения в различных областях науки и техники.
На сегодняшний день удается производить направленное контролируемое изменение свойств кристалла, в результате которого создаются точечные радиационные дефекты. К наиболее изученным примесно- дефектным центрам относится NV центры в нейтральном NV0 с БФЛ на 575 нм (2.157 эВ) и в отрицательном NV с БФЛ на 637 нм (1.947 эВ) зарядовых соФстояниях. Помимо NV-центров существуют также и другие центры окраски алмаза, формирующиеся при радиационно-термической обработке.
Несмотря на многолетнюю историю изучения алмаза, интерес к данному кристаллу не утихает, а спектр его применения увеличивается с каждым годом. Так в Институте общей физики имени А. М. Прохорова группа ученых занимается синтезом алмазных образцов и изучением их примесно дефектного состава [4 - 6]. Кроме этого, в мире активно развивается применение наноалмазов в биомедицине. В работах [7,8] рассматриваются возможные области применения наноалмазов, а также способы их образования и свойства. Также в г. Санкт-Петербург [9] и г. Москва [10] группы ученых занимаются магнитометрией на основе монокристалла синтетического алмаза.
Недостатками, которые не позволяют на данный момент перевести всю электронику на алмаз является то, что невозможно синтезировать образцы больших размеров монокристалла. Максимальный размер синтезированных поликристаллических образцов на сегодняшний день составляет около 190 мм [11], а монокристаллических ~ 28 мм. Еще одним недостатком является то, что невозможно синтезировать два абсолютно одинаковых образца из-за особенностей синтеза.
Тем не менее, немаловажным является исследование свойств получаемых кристаллов. К современным методам изучения свойств алмаза можно отнести такие как: ИК спектроскопия, КР спектроскопия, люминесценция, поглощение (видимый и ИК диапазон), ОДМР (оптически детектируемый магнитный резонанс) и ЯМР (ядерный магнитный резонанс). Одним из информативных и простых в проведении методов исследования является люминесцентный. В данной работе были использованы катодолюминесценция, фотолюминесценция и ИК спектроскопия.
Цель работы:
Анализ спектров катодолюминесценции синтетических ВДВТ алмазных образцов подвергнутых радиационно термической обработки в температурном диапазоне от 90 до 800 К.
Задачи работы:
1. Обзор современных литературных источников по теме исследования
2. Сборка и запуск экспериментальных установок
3. Регистрация спектров ИК поглощения и фотолюминесценции алмазных ВДВТ образцов
4. Регистрация спектров катодолюминесценции алмазов в температурном диапазоне от 90 до 800 К
5. Обработка и анализ полученных спектров люминесценции образцов, построение температурных зависимостей
Объект, предмет и метод исследования.
В рамках данной работы были использованы методы исследования оптических свойств алмазных кристаллов такие как катодо- и фото- люминесценция и содержащих различные азот- вакансионные центры в широком диапазоне температур. Кроме того, алмазные образцы были исследованы методами спектроскопии 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 анализа. При длительном облучении кристалла электронами с достаточной концентрацией и 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 является примесно дефектный состав.
Положения, выносимые на защиту:
1. При возбуждении люминесценции алмазных ВДВТ кристаллов подвергнутых радиационно-термической обработке электронным пучком с энергией электронов до 300 кэВ и содержащие центры 3H, TR12 и H4, характер температурных зависимостей катодолюминесценции центров (389 нм, TR12, H4, NV0) в области от 90 до 800 К описывается законом Мотта. Для центра 3Н температурная зависимость катодолюминесценции в том же интервале температур также подчиняется закону Мотта, но в области температур от 270 до 300 К имеется локальный максимум, обусловленный термостимулированной катодолюминесценцией
2. В алмазных образцах синтезированных методом ВДВТ и подвергнутых радиационно-термической обработке при возбуждении катодолюминесценции электронным пучком с энергией электронов до 300 кэВ в спектрах катодолюминесценции наблюдается свечение центров 389 нм, TR12, H4, 3H, NV0, вызванное неселективным возбуждением высокоэнергетичными электронами. При селективном лазерном возбуждении фотолюминесценции с длинами волн 450 и 520 нм в спектрах фотолюминесценции наблюдается свечение центров 3Н, NV0, Nis (для лазера 450 нм), и NV0 (для лазера 520 нм).
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 90 до 800 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.
Публикации по теме диссертации и апробация результатов исследования
Результаты работы докладывались автором и обсуждались на международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2025, 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, Томск, Россия, 2024, Материалах и технологиях фотоники, электроники и нелинейной оптики с международным участием, Томск, 2024.
Публикации автора по теме магистерской диссертации:
1. Спектры свечения малопримесных алмазных образцов под действием пучков электронов с энергией десятки кэВ - единицы МэВ / А. А. Крылов, А. Г. Бураченко, В. С. Рипенко [и др.] // Технологии безопасности жизнедеятельности. - 2024. - № 8. - С. 37-44. - DOI 10.17223/29491665/8/5
2. Катодо-, фото- и рентгенолюминесценция синтетического алмаза,
содержащего '::-центры / В. С. Рипенко, Д. А. Переседова, И. С. Гусев [и др.] // Технологии безопасности жизнедеятельности. - 2024. - № 8. - С. 45-51. - DOI
10.17223/29491665/8/6.
В ходе работы был проведен анализ литературных данных по теме исследования, были зарегистрированы спектры ИК поглощения, фотолюминесценции при температуре 20 и -120 °С и катодолюминесценции трех синтетических алмазных образцов с содержанием NV центров в температурном диапазоне от 90 до 800 К.
По итогам проделанной работы были сделаны следующие выводы.
1. Проведен анализ литературных источников. Приведено описание встречающихся в работе примесно дефектных центров. Обнаружены не описанные в литературе полосы и максимумы в спектрах катодолюминесценции. Уточнена принадлежность линии на 503 нм.
2. Спектры ИК поглощения показали, что во всех образцах наблюдется лишь решеточное поглощение. Только в образце С 146 помимо решеточного наблюдается максимум на 1510 см-1 который связан с комплексом междоузельных атомов азота, связанных с вакансиями.
3. Получены спектры фотолюминесценции с использованием лазеров с длиной волны 450 и 520 нм. При возбуждении лазером на 450 нм в спектрах фотолюминесценции наблюдаются бесфононные линии 3Н и NV0 центра. При возбуждении лазером с длиной волны 520 нм возбуждался только NV0 центр.
4. Спектры катодолюминесценции оказались более информативными чем спектры фотолюминесценции. В спектрах КЛ наблюдалась люминесценция различных примесно-дефектных центров.
5. Получены температурные зависимости центров катодолюминесценции. Получены данные о характере температурной зависимости КЛ некоторых центров при температуре выше 500 К.
6. Обнаружена нехарактерная температурная зависимость у 3Н центра которая связана с термостимулированной люминесценцией.
7. В будущем планируется продолжить работу по исследованию термостимулированной люминесценции. Также начать работу по созданию дозиметра на основе синтетического алмаза. И начать работу по расчетам скорости тушения различных примесно дефектных центров.
По итогам проделанной работы были сделаны следующие выводы.
1. Проведен анализ литературных источников. Приведено описание встречающихся в работе примесно дефектных центров. Обнаружены не описанные в литературе полосы и максимумы в спектрах катодолюминесценции. Уточнена принадлежность линии на 503 нм.
2. Спектры ИК поглощения показали, что во всех образцах наблюдется лишь решеточное поглощение. Только в образце С 146 помимо решеточного наблюдается максимум на 1510 см-1 который связан с комплексом междоузельных атомов азота, связанных с вакансиями.
3. Получены спектры фотолюминесценции с использованием лазеров с длиной волны 450 и 520 нм. При возбуждении лазером на 450 нм в спектрах фотолюминесценции наблюдаются бесфононные линии 3Н и NV0 центра. При возбуждении лазером с длиной волны 520 нм возбуждался только NV0 центр.
4. Спектры катодолюминесценции оказались более информативными чем спектры фотолюминесценции. В спектрах КЛ наблюдалась люминесценция различных примесно-дефектных центров.
5. Получены температурные зависимости центров катодолюминесценции. Получены данные о характере температурной зависимости КЛ некоторых центров при температуре выше 500 К.
6. Обнаружена нехарактерная температурная зависимость у 3Н центра которая связана с термостимулированной люминесценцией.
7. В будущем планируется продолжить работу по исследованию термостимулированной люминесценции. Также начать работу по созданию дозиметра на основе синтетического алмаза. И начать работу по расчетам скорости тушения различных примесно дефектных центров.
Подобные работы
- НЕСТАБИЛЬНОСТЬ СПЕКТРАЛЬНЫХ МАКСИМУМОВ ФОНОННОГО КРЫЛА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ИУ-ЦЕНТРОВ В АЛМАЗЕ
Главы к дипломным работам, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4600 р. Год сдачи: 2025 - ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СПЕКТРОВ КАОТДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ АЗОТ-
ВАКАНСИОННЫХ ЦЕНТРОВ В АЛМАЗЕ
Бакалаврская работа, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4600 р. Год сдачи: 2023 - ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ АЗОТОСОДЕРЖАЩИХ ЦЕНТРОВ ОКРАСКИ В ВДВТ АЛМАЗАХ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Бакалаврская работа, электротехника. Язык работы: Русский. Цена: 4320 р. Год сдачи: 2024