Міністерство освіти і науки України

Львівський національний університет імені Івана Франка

ЗОРЕНКО ЮРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 535.37; 538.911; 538.958; 538.975

ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ МОНОКРИСТАЛІВ І МОНОКРИСТАЛІЧНИХ ПЛІВОК ОКИСНИХ СПОЛУК З СТРУКТУРОЮ ГРАНАТУ ТА ПЕРОВСКІТУ

Спеціальність 01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Львів 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Львівському національному університеті імені Івана Франка

Науковий консультант: академік НАН України,

доктор технічних наук, професор

Гриньов Борис Вікторович,

Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України, директор

Офіційні опоненти: член-кор. НАН України,

доктор фіз.-мат. наук

Пузіков В’ячеслав Михайлович,

Інститут монокристалів НАН України, директор

доктор фіз.-мат. наук,

старший науковий співробітник

Даневич Федір Анатолійович,

Інститут ядерних досліджень НАН України, завідувач відділом

доктор фіз.-мат. наук, професор

Болеста Іван Михайлович,

Львівський національний університет імені Івана Франка,

завідувач кафедри радіофізики

Захист відбудеться 9 квітня 2008 р. о 15.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.051.09 при Львівському національному університеті імені Івана Франка за адресою: 79005 Львів, вул. Кирила і Мефодія, 5, фізичний факультет, Велика фізична аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Львівського національного університету імені Івана Франка (м. Львів, вул. Драгоманова, 5).

Автореферат розісланий 7 лютого 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Павлик Б.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з важливих проблем фізики твердого тіла є встановлення природи люмінесценції як складової частини процесу взаємодії збуджуючого випромінювання з речовиною. Для визначення механізму люмінесценції у самоактивованих і легованих домішками сцинтиляторах та фосфорах - матеріалах, що перетворюють енергію йонізуючого випромінювання у світло видимого чи УФ діапазону, треба встановити природу і структуру оптично-активних центрів, що дало б змогу керувати параметрами їх свічення. Для більшості нині відомих сцинтиляторів, зокрема лужно-галоїдних сполук, ця проблема ще далека від остаточного розв’язання. Ще більшою мірою це стосується сцинтиляторів на основі складних окисних сполук із декількома катіонними підґратками. Насамперед, це гомологічні ряди гранатів A3B5O12 і перовскітів ABO3 (А - рідкісноземельні (РЗ) йони і Y; B - Al, Ga), леговані різними типами РЗ йонів. Переважно це зумовлено складністю базису цих сполук і множинністю дефектів, що існують в них, а також недостатньо повними експериментальними даними про основні оптичні, люмінесцентні та світлотехнічні характеристики оксидних сцинтиляторів, які функціонально пов’язані з характером розупорядкування їхньої кристалічної ґратки. Важливою складовою цих досліджень є встановлення особливостей люмінесцентних властивостей сцинтиляторів, кристалізованих різними методами, зокрема з розплаву і розплаву-розчину (РР). Характерними представниками останніх є монокристалічні плівки (МП), одержані методом рідинно-фазної епітаксії (РФЕ).

Швидкий розвиток технології отримання монокристалів (МК) гранатів і перовскітів викликаний їхнім широким використанням як лазерних середовищ та сцинтиляторів для радіаційного моніторингу, медичної діагностики (томографія) та візуалізації рентґенівських зображень [1]. Значний прогрес у розвитку технології отримання МП оксидів методом РФЕ для потреб електронної техніки на початок дисертаційної роботи [2] створив також можливість розроблення нових типів тонкоплівкових люмінесцентних перетворювачів на їхній основі.

Суттєва відмінність в умовах кристалізації сцинтиляторів на основі МК і МП окисних сполук відповідно з розплаву і РР може бути причиною значних відмінностей їхніх люмінесцентних і світлотехнічних характеристик, які обумовлені типами і концентраціями переважних типів власних дефектів при кристалізації МК з розплавів за високих (до 2000 ?С) температур методами Чохральского чи Бріджмена, а також наявністю домішок компонентів РР при кристалізації МП методом РФЕ за суттєво нижчих (900-1100 ?С) температур росту. Тому порівняльний аналіз люмінесцентних властивостей сцинтиляторів на основі МК і МП гранатів і перовскітів актуальний як з погляду їхнього практичного використання, так і для встановлення природи та загальних закономірностей власної люмінесценції складних оксидів з декількома катіонними підґратками.

Водночас, можливість використання фосфорів на основі МК і МП цих сполук часто обмежувалася тим, що їх світловихід був не оптимізованим, а в деяких випадках суттєво нижчим, ніж у відомих аналогів. Значною мірою це було обумовлено тим, що існуючий до початку цієї роботи обсяг інформації про люмінесцентні властивості гранатів і перовскітів був присвячений переважно дослідженню люмінесценції РЗ і перехідних йонів у цих оксидах як лазерних середовищах. Обмеженість даних про закономірності свічення інших типів центрів люмінесценції в цих сполуках, утворених власними дефектами, а також домішками, серед яких найбільш цікавими з погляду ефективності перетворення енергії збуджуючого випромінювання в світло є РЗ йони 4f-5d переходами, ізоелектронні домішки (ІД) по відношенню до остовних катіонів та ртутеподібні йони з електронною структурою ns2, суттєво стримувало можливість розроблення нових типів сцинтиляторів на основі МП і МК. Дослідження люмінесценції останнього типу домішок було також актуальне через можливе легуванням МП-сцинтиляторів йонами Pb2+ і Bі3+, оксиди яких використовують як компоненти РР під час вирощування МП методом РФЕ. Отже, проведення досліджень люмінесценції вказаних типів домішок було потрібне для розроблення на основі МК і МП гранатів і перовскітів нових типів люмінесцентних перетворювачів для застосування в різних галузях науки і техніки.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати роботи були одержані особисто автором у період 1986-2007 рр. під час виконання держбюджетних тем у Лабораторії матеріалів для оптоелектроніки (ЛМО) ЛНУ ім. І. Франка, зокрема ФК-068Б “Встановлення механізмів дисипації енергії збудження в кристалофосфорах на основі кисневовмісних, лужно-галоїдних і лужно-земельних сполук з метою оптимізації параметрів виготовлення на їх основі різних типів сцинтиляторів”, № 0194U028147; КБ-318б “Встановлення закономірностей власного і домішкового випромінювання в МК і МП кристалофосфорів на основі складних оксидів і лужно-галоїдних сполук для люмінесцентних перетворювачів різних типів випромінювань”, № 0197U018099; КБ-63Б "Встановлення закономірностей утворення фото- і термостимульованих центрів захоплення і випромінювання в МК і МП окисних і лужно-галоїдних сполук, які застосовують в системах біологічного та радіаційного моніторингу", № 0100U001461; ФЛ-132Ф “Особливості міграції енергії збудження в кристалофосфорах нa основі складних оксидів рідкісно-земельних елементів”, № 0100U001461; СЛ-77Ф "Закономірності люмінесценції і трансферу енергії збудження в фосфорах на основі оксидів і бромідів”, № 0106U001317; розділів міжнародних проектів INTAS (№ 95/0166 і № 04-78-7083) та УНТЦ (№ 2042), а також госпдоговірних тем (повний список подано в дисертації) в Інституті матеріалів НВО Карат і ЛОМ ЛНУ ім. І. Франка під час розроблення технологій одержання сцинтиляторів a- і b-випромінювань; комбінованих сцинтиляторів для реєстрацій складових змішаних пучків часток і квантів з різним пробігом; катодолюмінесцентних (кл) екранів електронно-променевих трубок (ЕПТ) та екранів для візуалізації рентґенівських зображень з високою просторовою роздільною здатністю на основі МП гранатів Y3Al5O12:Сe (YAG:Ce) і Lu3Al5O12:Се (LuAG:Ce) методом РФЕ на замовлення СНДІП, Москва, СКТБ Кінескоп, Львів (згодом ДНДІ ПЕТ Еротрон); ОЯІД, Дубна, ІФВЕ, Протвіно; ІСМ НАНУ, Харків та НВО Карат, Львів.

Керівником тем чи розділів цих робіт був автор дисертаційної роботи.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи було встановлення природи та особливостей люмінесценції МК і МП окисних сполук системи Al2O3-Y2O3-R2O3 (R- РЗ іони) з структурою гранату і перовскіту, з центрами люмінесценції, утвореними власними низькоенергетичними релаксованими збудженнями (екситонами), дефектами структури цих оксидів, зокрема антивузельними дефектами (АД) та вакансійними дефектами (ВД), а також спеціально введеними домішками: РЗ йонами з 4f-5d переходами, ізоелектронними домішками і ртутеподібними йонами з електронною структурою ns2, що спрямоване на розроблення на основі цих сполук нових видів люмінесцентних перетворювачів різних типів випромінювань.

Об’єктом досліджень були закономірності формування центрів люмінесценції під час кристалізації МП і МП оксидів з структурою гранату і перовскіту та Al2O3 з розплаву і РР, а також фізичні явища, що виникають у процесах випромінювальної релаксації електронних збуджень у цих оксидах.

Предметом досліджень були кристалізація методом РФЕ з РР на основі флюсів PbO-B2O3 і Ві2О3 та люмінесцентні властивості нелегованих і легованих РЗ йонами з 5d-4f переходами (Се3+, Pr3+), ІД елементів III групи (La3+, Lu3+, Y3+, Sc3+, Ga3+, In3+) та ртутеподібними домішками (Pb2+ і Bi3+) МП гранатів А3В5О12, де A = Y, Lu, Gd; B = Al, Ga; перовскітів АAlO3, де A = Y, Lu; а також Al2O3, порівняно з об’ємними МК цих сполук, які отримано з розплаву методами Чохральского і Бріджмена.

Досягнення цієї мети вимагало розв’язання основних наукових завдань:

Провести оригінальні роботи із синтезу методом РФЕ нелегованих і легованих різними типами домішок МП окисних сполук системи Al2O3-Y2O3-R2O3 (R- РЗ йони) із структурою перовскіту АAlO3 та гранату А3В5О12 (A = Y, РЗ йони; B = Al, Ga), а також a-Al2O3.

На підставі порівняльного аналізу люмінесцентних властивостей МК і МП, зокрема методами часово-роздільної спектроскопії при збудженні імпульсними джерелами випромінювання, встановити природу власної люмінесценції окисних сполук із структурою гранату і перовскіту.

Встановити закономірності утворення дефектами структури, їх асоціатами і фоновими домішками центрів люмінесценції, центрів захоплення та інших можливих каналів дисипації енергії збудження в МК і МП Al- та Ga-гранатів, Al-перовскітів та a-Al2O3.

Докладно дослідити оптичні, люмінесцентні та світлотехнічні характеристики МП і МК оксидів із структурою гранату, перовскіту і Al2O3 з різними типами домішок. Встановити особливості люмінесценції і трансферу енергії збудження до домішкових центрів в сцинтиляторах на основі МК і МП цих оксидів, кристалізованих відповідно з розплаву та РР методом РФЕ.

5. Розробити основи промислових технологій одержання сцинтиляторів та екранів на основі МП окисних сполук методом РФЕ.

6. Створити серію нових люмінесцентних перетворювачів на основі МП Lu-вмісних гранатів, перовскітів і a-Al2O3, які придатні для використання як КЛ екрани та сцинтилятори для радіаційного моніторингу та візуалізації рентґенівських зображень з високою просторовою роздільною здатністю.

Методи досліджень: 1) порівняльний аналіз спектрів катодолюмінісценції (КЛ), термо-стимульованої люмінесценції (ТСЛ) та світловиходу КЛ і радіолюмінесценції при збудженні відповідно електронним променем та ?-частинками джерела Pu239 МК і МП досліджуваних окисних сполук; 2) люмінесцентна спектроскопія МК і МП з часовим розділенням при збудженні імпульсним рентґенівським випромінюванням (РВ) і синхротронним випромінюванням (СВ) з енергією Е = 3,7-25 еВ в температурних інтервалах 8-77-300 К.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Уперше продемонстровано можливість кристалізації нелегованих і легованих йонами Се3+ і Pr3+ МП Lu3Al5O12 (LuAG) і LuAlO3 (LuAP) відповідно на підкладках Y3Al5O12 (YAG) і YAlO3 (YAP) без будь-якого додаткового легування для зниження різниці ?a між параметрами ґратки МП і підкладки. Це дозволило встановити набагато ширшу умову - 0,093 A < ?a для кристалізації МП Al-гранатів на підкладках YAG та суттєво розширити клас сцинтиляторів на основі МП гранатів і перовскітів та сферу їхнього застосування. Показано, що основним механізмом, що сприяє кристалізації МП LuAG на підкладках YAG, є утворення перехідного шару на межі поділу МП-підкладка.

2. Показано, що особливості люмінесцентних властивостей МП оксидів системи Al2O3-Y2O3-R2O3 (R- РЗ іони) із структурою гранату А3В5О12 і перовскіту АВО3, які отримано методом PФЕ з РР, порівняно з об’ємними МК аналогами, які одержано з розплаву, обумовлені відсутністю в МП АД типу АВ і ВА та гранично низькими концентраціями ВД. У свою чергу, люмінесцентні властивості МП оксидів зазнають впливу фонових домішок йонів Pb2+ і Bi3+, які є компонентами РР під час кристалізації цих МП методом РФЕ.

3. Встановлено природу центрів власної люмінесценції сполук із структурою гранату. Вперше показано, що в МП YAG і LuAG в діапазоні низьких температур домінує люмінесценція автолокалізованих екситонів (АЛЕ) у регулярних вузлах ґратки гранату на відміну від МК цих сполук, де випромінювальна релаксація екситоноподібних збуджень переважно відбувається в околі АД YAl і LuAl у формі свічення локалізованих екситонів (ЛЕ(АД) центри), а також зв’язаних з АД екситонів, які формуються під час рекомбінації електронів з дірками, локалізованими АД YAl і LuAl. Встановлено енергії утворення вказаних екситонних станів в МП і МК YAG і LuAG.

4. Поглиблені знання про природу власної люмінесценції МК Ga-гранатів. Вперше показано, що власна УФ люмінесценції МК (LaLu)3Lu2Ga3O12 (LLGG) і Gd3Ga5O12 (GGG) є суперпозицією свічення екситонів, локалізованих в околі АД GdGa і LuLa (ЛЕ(АД) центри), та люмінесценції АД GdGa і LuLa, обумовлених відповідно рекомбінацією електронів та дірок з носіями протилежного знаку, захопленими АД GdGa і LuLa, з утворенням зв’язаних з АД екситонів.

5. Встановлено, що власна люмінесценція МК YAP і LuAP є суперпозицією двох комплексних смуг в УФ (6,9-4,7 еВ) і ближній УФ (4,7-2,2 еВ) областях спектру. Уперше показано, що складна смуга УФ люмінесценції МК YAP і LuAP є суперпозицією смуг свічення АЛЕ і ЛЕ(АД) центрів. На відміну від МК, власна УФ люмінесценція МП YAP і LuAP переважно обумовлена свіченням АЛЕ. Встановлено, що власна люмінесценція МК YAP у ближньому УФ діапазоні спектру є суперпозицією люмінесценції екситонів, локалізованих біля ВД різних типів (ЛЕ(ВД) центри), зокрема аніонних вакансій з одним (F+-центр) і двома (F-центр) електронами, та люмінесценції F+- і F-центрів. В МК yaР вперше виявлено явище фотоконверсії F>F+-центрів. Встановлено енергії формування екситонних станів, зв’язаних з вказаними центрами в МК і МП YAP і LuAP.

6. Встановлено, що випромінювальна релаксація АЛЕ в гранатах YAG і LuAG та перовскітах YAP і LuAP відбувається шляхом рекомбінації електронів, локалізованих на 4d1(5d1)+5s2(6s2) рівнях катіонів Y3+ чи Lu3+, з автолокалізованими дірками на 2p-рівнях однозарядних йонів кисню O-. Вперше показано, що АЛЕ, ЛЕ(АД) і ЛЕ(ВД), а також зв’язані екситони, локалізовані на АД і ІД в МК і МП гранатів і перовскітів, мають синглетний і триплетний релаксовані збуджені стани з суттєво відмінними ймовірностями випромінювальних переходів.

7. Встановлено, що здатність ід з елементів III групи утворювати в оксидах з структурою гранату А3В5О12 і ?-Al2O3 локальні електронно-діркові рівні як центри випромінювальної рекомбінації в УФ області визначається: 1) змогою ІД заміщувати певні кристалографічні позиції; 2) різницею в йонних радіусах ІД та заміщуювального катіону (має бути не менше 0,12 A для гранатів і 0,05 A для Al2O3); 3) відмінностями в будові їхніх електронних оболонок та йонних остовів. Проведено класифікацію ІД щодо ефективності формування центрів люмінесценції і вперше показано, що серед всієї сукупності ІД найбільшою здатністю до утворення центрів люмінесценції з високим світловиходом в оксидах металів III групи володіють ”повністю-ІД” та ”оcтовно-ІД” La, Sc, Lu і Y в YAG і LuAG та Sc у Al2O3.

8. Вперше встановлено, що йони Се3+ і Pr3+ та АД YAl і LuAl в сцинтиляторах на основі МК YAG і LuAG утворюють дипольні центри, з меншою (відповідно на 0,29 і 0,18-0,21 еВ), ніж у ізольованих йонів Се3+ і Pr3+, енергією утворення локалізованого екситону. Показано, що парні центри АД-Се в МК YAG i LuAG формують центри захоплення дірок з термічною глибиною 0,18 і 0,29 еВ.

9. Встановлено, що АД YAl і LuAl та ВД беруть суттєву участь у процесі збудження люмінесценції йонів Се3+ і Pr3+ у сцинтиляторах на основі МК гранатів YAG i LuAG та перовскітів YAР i LuAР. Показано, що причинами цього є проміжна локалізація носіїв заряду на центрах захоплення, утворених АД і ВД, та реабсорбція люмінесценції АД і ВД смугами поглинання йонів Се3+ і Pr3+.

10. Встановлено, що суттєво більший (в 10-12 разів) внесок повільних компонентів в кінетиці загасання сцинтиляцій у МК LuAG:Ce, LuYAP:Ce і LuAP:Ce порівняно з МК YAG:Ce і YAP:Ce обумовлений вищою концентрацією АД у Lu-вмісних оксидах та більшою термічною глибиною центрів захоплення дірок, утворених відповідно АД LuAl і YAl. Показано, що суттєво менші (в 15-20 разів) внески повільних компонентів в кінетиці загасання люмінесценції йонів Се3+ у МК Y- і Lu-перовскітів порівняно з МК Y- і Lu-гранатів обумовлені значно меншою концентрацією АД.

11. Показано, що сцинтилятори на основі МП YAG:Ce, LuAG:Ce, YAР:Ce, LuYAР:Ce і LuAР: Ce порівняно з МК аналогами володіють швидшою кінетикою загасання люмінесценції йонів Се3+ при високоенергетичному збудженні та суттєво меншим (в 4-8,5 разів для гранатів і в 1,4-6 разів для перовскітів) вмістом повільних компонентів у кінетиці загасання сцинтиляцій в наслідок відсутності в них центрів люмінесценції та центрів захоплення, утворених АД YAl і LuAl та ВД різних типів. Вперше показано, що світловихід МП LuAG:Ce може перевищувати на 20 % світловихід їх МК аналогів через відсутність в цих МП АД і ВД.

12. Встановлено, що для всіх МП сполук системи Al2O3-Y2O3-Lu2O3 з структурою a-Al2O3, перовскіту і гранату, легованих ртутеподібними (ns2) йонами Pb2+ і Ві3+, характерною є двосмугова структура спектру свічення йонів Pb2+ і Ві3+ в УФ і видимій областях, яка обумовлена відповідно люмінесценцією одиночних і парних Pb/Bі-вмісних центрів. Вперше показано, що переважаючим механізмом збудження люмінесценції Pb/Bі-вмісних парних центрів є переходи з переносом заряду між йонами Bi3+ і Pb2+ та дном зони провідності оксиду з утворенням локалізованих біля цих центрів екситонів.

Достовірність і обґрунтованість одержаних результатів забезпечено: 1) проведенням досліджень на однотипних МК і МП, кристалізованих різними методами з однакової сировини; 2) дослідженням властивостей окисних сполук у широкому діапазоні концентрацій власних дефектів і легуючих домішок; 3) комплексним порівняльним аналізом люмінесцентних властивостей МК і МП, поєднуючи традиційні методи із застосуванням сучасних методик, зокрема, люмінесцентної спектроскопії з часовим розділенням при збудженні імпульсним РВ і СВ у широкому (8-77-300 К) діапазоні температур; 4) узгодженістю результатів у гомологічних рядах досліджуваних оксидів (гранати, перовскіти).

Практичне значення одержаних у роботі результатів полягає у створенні методом РФЕ нових видів люмінесцентних перетворювачів різних типів випромінювань на основі МП та МК окисних сполук для таких застосувань: сцинтиляторів для радіаційного моніторингу a- і b-частинок [2, 11, 12, 16, 20, 21, 25, 28, 35, 36, 44, 45, 57]); сцинтиляторів типу "фосвіч" для реєстрацій складових змішаних іонізуючих потоків [11, 16, 20, 21, 49, 60]; кл екранів ЕПТ [1, 2, 12, 16, 19, 20, 47, 49, 52, 53, 56, 59, 61] та екранів для візуалізації рентґенівських зображень [21-25, 27, 29, 35, 36, 44, 45] з високою просторовою роздільною здатністю; екранів для візуалізації пучків частинок і квантів з різним пробігом у ядерній фізиці [10, 21]; тонкоплівкових термолюмінесцентних дозиметрів [50] і лазерних середовищ, а також джерел їх накачування [14, 53, 58]. Розроблення сцинтиляторів для радіаційного моніторингу ?- і ?-частинок та екранів для візуалізації рентґенівських зображень на основі МП гранатів і перовскітів проводилося спільно з акад. Б. Гриньовим і д.ф.-м.н. М. Глобус із ІСМ НАНУ.

Впровадження і використання результатів цієї роботи здійснено в НВО Карат, ДНДІ ПЕТ Еротрон і ІСМ НАНУ, що підтверджено відповідними актами, які подано в додатку А. Особливості технології отримання МП, склади сцинтиляторів і екранів та оригінальні конструктивні рішення щодо використання МП-люмінофорів захищено 12 авторськими свідоцтвами (А. с.) СРСР [49-60].

Особистий внесок автора. В роботі узагальнено результати досліджень, виконаних в Інституті матеріалів НВО Карат (Львів) і ЛМО ЛНУ ім. І. Франка в 1986-2007 рр. у межах держбюджетних і госпдоговірних робіт та міжнародних проектів, керівником яких був автор. Особистий внесок автора полягає у генерації фізичних ідей, які описано в дисертації, постановці завдань досліджень і виборі методів їхнього розв’язання, передусім у впровадженні порівняльного аналізу люмінесцентних властивостей МК і МП окисних сполук із використанням СВ, інтерпретації та узагальненні наукових результатів, які були одержані безпосередньо автором чи під його керуванням, а також в переважно особисто написаних і опублікованих більшості статей і доповідей, які становлять основу цієї роботи. Головні наукові результати автора оригінальні, їх надруковано в провідних іноземних і вітчизняних наукових журналах з високим імпакт-фактором, а також їх доповідав особисто автор на провідних міжнародних конференціях за тематикою роботи. У працях, які було написано з іншими співавторами, автору належать результати і висновки, що подано в дисертації та в її авторефераті.

Апробація результатів дисертації. Про основні результати роботи автор доповідав на ІХ Всесоюзній конференції "Состояние и перспективы разработки и применения сцинтилляторов и сцинтилляционных детекторов в ХІІ пятилетке” (Харьков, 1986); VI Всеcоюзній конференції по радіаційній фізиці і хімії йонних кристалів (Рига, 1986), VI Весоюзній конференції по фізиці діелектриків (Томск, 1988), VI Всесоюзному симпозіумі "Люминесцентные приемники и преобразователи ионизирующего излучения" (Львів, 1988); VIII Всесоюзній конференції по росту кристалів (Харків, 1992); Міжнародній конференції “Advanced Optical Materials and Devices AOMD’96” (Рига, 1996); Міжнародній конференції “Advanced Materials” (Київ, 1999); 6 Міжнародній конференції „Intermolecular Interactions in Matter” (Гданськ, 2001), Російських національних конференціях по росту кристалів (Москва, 2002, 2004); Міжнародних семінарах “Physics and Chemistry of Solids” (Ченстохова, 2003; 2005; Львів, 2000; 2002; 2004); Міжнародному семінарі “Physical aspects of the luminescence of complex oxide dielectrics (LOD)” (Львів, 2002); 6 Міжнародній конференції по екситонних процесах EXCON’04 (Краків, 2004), 5 Міжнародній конференції „Defects in Insulating Materials (ICDIM)” (Рига, 2004); Міжнародній конференції „Crystal Materials” (Харків, 2005); Міжнародному семінарі „Аdvanced spectroscopy and optical materials” (Гданськ, 2006); Міжнародному семінарі “Novel Luminescent and Optical Materials ISLNOM” (Прага, 2006); EMRS Fall Meeting (Варшава, 2003, 2007), Єврофізичних конференціях “Defects in Insulating Materials EURODIM” (Kіль, 1998, Вроцлав, 2002; Мілан, 2006); Міжнародних конференціях "Luminescence detectors and transformers of ionizing radiation LUMDETR” (Рига, 1991; Таллінн, 1994; Устронь, 1997; Рига, 2000; Прага, 2003; Львів, 2006); Міжнародних конференціях "Inorganic Scintillators and Their Application SCINT” (Дельфт, 1995; Шанхай, 1997; Москва, 1999; Валенсія, 2003; Алушта, 2005; Вінстон-Салем, 2007).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 48 статтях у профільних журналах за тематикою досліджень і 12 авторських свідоцтвах СРСР.

Структура дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, шість розділів, висновки, список використаних джерел і додатки. Повний обсяг роботи становить 327 стор., з яких текстовий матеріал становить 303 стор., 146 рис., 27 табл., а також список з 238 літературних джерел на 24 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У першому розділі на прикладі кристалізації методом РФЕ МП YAG:Се на підкладках YAG викладені основи промислових технологій виготовлення сцинтиляторів та КЛ екранів на основі МП оксидів, які містять оригінальні технологічні рішення і результати досліджень, потрібні для реалізації цих технологій.

1. Визначені оптимальні діапазони концентрацій МП-формувальних компонентів R3опт = 2,4- 4 моль. % і оксиду CeO2 R4опт = 12-14,5 моль. % у РР, в яких досягаються високі значення світловиходу МП YAG:Ce під час їхньої кристалізації з РР на основі флюсу PbO-B2O3 на підкладках YAG, а також коефіцієнт сегрегації іонів Ce3+ КS = 0,003-0,01. Вибір величини R3опт визначається компромісом між сегрегацією йонів Се3+ та йонів Pb2+ як фонової домішки компонентів флюсу, яка є ефективним гасником люмінесценції йонів Се3+. Зменшення світловиходу МП за R3 < R3опт обумовлене переважним входженням йонів Pb2+, тоді як за R3 > R3опт наявне вже зниження коефіцієнту сегрегації йонів Се3+. Максимальний світловихід МП (> 10000 фотон (Ф)/МеВ) досягається в діапазоні температур росту Тр = 930 -990?С за величини відношення Се3+ / Pb2+ > 15 (рис. 1). Вирощування МП YAG:Ce з високим світловиходом треба проводити за рівноважних умов, тобто за мінімальної швидкості росту 0,2-0,5 мкм/хв. і переохолодження РР ?Т = 10-12 град.

2. Встановлено, що основним чинником, що обмежує світловихід МП YAG:Ce, є наявність фонових домішок свинцю і заліза у різних валентних станах як компонентів флюсу і МП- формувальних оксидів. Локальна компенсація заряду за малого (> 0,1 ат. %) вмісту йонів Pb2+ у складі МП відбувається завдяки утворенню пар Pb2+-Pt4+ (з тигля) чи Pb2+-Fe4+, тоді як за вищих концентрацій свинцю вже наявне утворення переважно парних центрів Pb2+-Pb4+. Парні центри Pb2+-Pt4+ і Pb2+-Pb4+, а також йони Fe3+ в (а)- і (d)- позиціях ґратки гранату відповідальні за додаткове поглинання (ДП) МП YAG:Се в діапазоні 190-600 нм (рис. 2).

Розглянуто роль фонових домішок свинцю і заліза у радіаційно- і термостимульованих процесах, що наявні у МП YAG:Ce під дією окисно-відновних термообробок і опромінень. Показано, що відпал МП YAG:Ce і YAG на повітрі і в вакуумі при 800-1400?C, чи опромінення квантами з Е > 5 еВ приводить до фото- і термо-індукованого перетворення зарядових станів йонів Fe4+-Fe3+-Fe2+ і Pb2+-Pb4+ і спричиняє реверсивну зміну ДП МП в діапазоні 190-600 нм, яке обумовлене переходами з переносом заряду між аніонами O2- та іонами Pb2+(4+) і Fe3+(2+), а також переходами 1S0>3P1 йонів Pb2+ (рис. 2). Встановлено, що основний внесок у ДП МП YAG:Ce, наведене дією відпалу чи опромінення, вносять домішки іонів Pb4+ і Fe2+ та апробовано способи зменшення впливу цих домішок на світловихід МП.

3. Розглянуто вплив ефекту ”збіднення РР” при кристалізації ?- і ?-сцинтиляторів на основі МП YAG:Ce, що полягає у зменшенні світловиходу цих сцинтиляторів зі збільшенням кількості вирощених МП (рис. 3, а). Для усунення дії цього ефекту запропоновано оригінальне технологічне рішення, яке полягає в зниженні температури РР у процесі росту МП по закону V(Tр) = NЧCЧS/М, де N - кількість підкладок в одному циклі росту, S - площа підкладки, М - маса РР, С - визначений коефіцієнт, рівний 2,6-3,4 градЧг/хвЧсм2. Встановлено, що дія ефекту „збіднення РР” на світловихід МП (LuLa)3Al5O12:Ce помітніша, ніж у МП YAG:Ce (рис. 3, б), що обумовлено звуженням діапазону гомогенності при гетероепітаксійній кристалізації цих МП на підкладках YAG порівняно з умовами росту МП YAG:Ce.

Використання зазначених вище (1-3) способів у технологічних операціях вирощування МП YAG:Ce дає змогу одержати серійні зразки КЛ екранів і a- і b- сцинтиляторів на основі цих МП із світловиходом КЛ 300-350 мкВт/ср (15 кВ, 10 мкА) і радіо-люмінесценції 41 % від CsJ:Tl, роздільною здатністю 8,3 % при збудженні ?-частинками джерела Pu239 (5,5 MeВ) та відношенням ?/? ? 0,2. Абсолютний світловихід кращих зразків МП YAG:Ce дорівнює 12200 Ф/MeВ і становить ~ 75 % від світловиходу об’ємних МК аналогів при збудженні ?-частинками (Pu239). Різниця у величині світловиходу МП і МК YAG:Ce обумовлена наявністю у складі МП певної концентрації фонових домішок йонів Pb2+ і Pt4+.

Уперше показано можливість кристалізації сцинтиляторів на основі легованих РЗ йонами МП LuAG на підкладках YAG без будь-якого додаткового легування для зниження значно більшої (?a = ? 0,093 A) різниці в параметрах ґратки МП і підкладки порівняно з традиційною умовою епітаксійного росту (?a < ± 0.02 A) [4]. Це дало змогу встановити нову ширшу умову для кристалізації МП Al- гранатів на підкладках YAG та значно розширити клас сцинтиляторів на основі цих МП та сферу їхніх застосувань. Показано, що первинною стадією кристалізації МП LuAG на підкладках YAG є утворення перехідного шару на межі поділу цих двох гранатів. Для підтвердження цієї гіпотези було отримано КЛ зображення перехідних шарів розмірами відповідно 0,1 і 0,3 мкм на межі поділу МП/підкладка на сколах епітаксійних структур LuAG:Ce/LuAG і YAG (рис. 4).

Вперше кристалізовано МП твердого розчину (Lu-Y)AG:Ce на підкладках YAG. Встановлено оптимальний діапазони концентрацій МП-компонентів R3опт = 3?3,5 моль. % та оксиду CeO2 в РР R4опт = 8,5?10,5 моль. %, в яких досягається максимальний світловихід цих МП, та коефіцієнти сегрегації йонів Се3+ і Y3+ відповідно 0,186?0,025 і 1,85. Показано, що світловихід МП (Y?Lu)AG:Се при збудженні ?-частинками (Pu239) зростає зі збільшенням вмісту Lu у складі МП до 15000 Ф/МеВ для МП LuAG:Ce (табл. 2), що свідчить про вищу конверсійну ефективність сцинтиляторів на основі МП LuAG:Се порівняно з МП YAG:Се. Натомість світловихід МК LuAG:Се типово менший (~ 1,3 раза) за світловихід МК YAG:Се в наслідок суттєво вищої концентрації АД LuAl в МК LuAG:Се порівняно з вмістом АД YAl у МК YAG:Се. На противагу цьому, світловихід МП LuAG:Се при відношенні концентрацій йонів Се3+/ Pb2+ > 18,5?19,5 в складі цих МП в 1,2 раза перевищує світловихід їх МК аналогів (табл. 2) в наслідок відсутності в них АД та ВД.

Уперше кристалізовані МП твердого розчину (Y?Lu)AР:Ce на підкладках YAР без жодного додаткового легування для зменшення різниці між параметрами ґраток цих перовскітів. Встановлено оптимальні діапазони концентрацій МП-компонентів R3опт = 2,9?5 моль. % і оксиду CeO2 R4опт = 13?20 моль. % в РР та коефіцієнт сегрегації йонів Се3+ у МП YAР:Ce КS ? 0,012. Встановлено, що світловихід кращих зразків МП YAР:Се, Lu0,6Y0,4AP:Ce і LuAP:Ce становить відповідно лише 32,7; 22,0 і 4,5 % від світловиходу МК YAР:Се (18000 Ф/МеВ) (табл. 3). Причиною цього є значно більше легування МП перовскітів йонами Pb2+, ніж це має місце при кристалізації МП гранатів, що обумовлено різним об’ємом кубо-октаедричних і додекаедричних позицій для локалізації цих йонів в структурі перовскіту і гранату. Встановлено, що світловихід МП (Y?Lu)AР:Ce зростає зі збільшенням вмісту Y від 8?10 % для LuAP:Ce до 40 % для Lu0,6Y0,4AP:Ce від світловиходу МП YAР:Се (5 900 Ф/МеВ). Причиною цього є переважаюча сегрегація пари йонів Се?Y порівняно з парою Pb?Lu під час кристалізації МП (Lu?Y)AP:Ce на підкладках YAP, через що зростає відношення концентрацій йонів Се/Pb у складі цих МП.

Уперше кристалізовані леговані йонами Pr3+ МП YAG і LuAG і YAP і LuAР відповідно на підкладках YAG і YAР. Встановлено оптимальні межі концентрацій МП-компонентів R3опт = 2,7?3,1 моль. % і оксиду Pr2O3 R4 опт = 5,5?6,5 моль. % у РР, за яких має місце найвищий світловихід КЛ і радіолюмінесценції МП YAG:Pr і LuAG:Pr в УФ області спектру 5200?5300 Ф/МеВ, який, проте, у 3-4 рази менший за світловихід їх МК аналогів. Показано, що таке зниження світловиходу МП YAG:Pr і LuAG:Pr порівняно з МК цих гранатів та Се-легованими МП-аналогами зумовлено: (i) легуванням МП фоновими домішками Pb2+ і Pt4+; (iі) наявністю поряд з ”швидкою” d-f люмінесценцією в УФ діапазоні також ”повільної” f-f люмінесценції у видимій області (рис. 5).

Встановлено, що в легованих празеодимом МК і МП гранатів і перовскітів наявні кооперативні процеси збудження свічення йонів Pr3+ з термів 1D2 (гранати) та 3Р0 (перовскіти) у видимій області відповідно в діапазонах 609 і 480 нм квантами d-f люмінесценції УФ області (рис. 5). Показано, що ефективність кооперативних процесів зростає із збільшенням концентрації активатору і є значно вищою в перовскітах, ніж у гранатах. Це є основною причиною низького світловиходу МП YAP:Pr і LuAР:Pr, який не перевищує відповідно 70 і 58 % від світловиходу МП YAР:Се (5900 Ф/МеВ).

Встановлено, що наслідком синтезу МК гранатів A3B5O12 і перовскітів ABO3 з розплаву при високій температурі є значно більший вміст дефектів заміщення типу АД АВ чи ВА порівняно з МК і МП аналогами, отриманими з РР. Зокрема, концентрації АД YAl, LuAl і GdGa в МК YAG, LuAG і GGG, становлять відповідно 0,0375, 0,115 і 0,055 форм. од. (0,19; 0,575 і 0,275 ат. %) (рис. 6). Встановлено, що МП YAG, LuAG і GGG володіють меншим (відповідно - 0,0234, - 0,0215 і - 0,0078 A) параметром ґратки, ніж їх МК аналоги, що обумовлено відсутністю в цих МП АД LuAl, YAl і GdGa. Хімічний склад нелегованих МП Gd3Ga5O12, Y3Al5O12, Lu3Al5O12, YAlO3 і LuAlO3 є дуже близьким до їхніх стехіометричних складів, тому МП гранатів і перовскітів є зручними модельними об’єктами для дослідження природи власного свічення гранатів і перовскітів, зокрема люмінесценції екситонів.

В другому розділі розглянуто природу та особливості власної люмінесценції МК і МП з структурою гранату. Зазначені особливості пояснюються в межах модельного уявлення про АД як специфічний вид ІД в МК гранатів. Основу цього уявлення складають наступні висновки.

1. Локалізація катіонів А3+ в октаедричних (а)-позиціях катіонів В3+, чи катіонів В3+ в додекаедричних {c}-позиціях катіонів А3+ приводить до утворення АД АВ і ВА. АД як аналоги ІД утворюють відщеплені рівні в забороненій зоні гранатів як центри проміжної локалізації екситонів (ЛЕ(АД) центри), а також електронів чи дірок з наступною рекомбінацією з носієм протилежного знаку.

2. АД типу АВ у МК Al- і Ga-гранатів в наслідок більших йонних радіусів катіонів Y і РЗ і менших їхніх третіх потенціалів йонізації, ніж у заміщених ними катіонів Аl і Ga, переважно утворюють центри захоплення дірок; тоді як АД типу ВА з тих же причин утворюють електронні центри захоплення.

3. З врахуванням наявності значних (до одиниць ат. %) концентрацій АД в МК гранатів можливе також утворення парних центрів, що містять АД та домішки чи інші дефекти. Зазначені центри створюють сукупність локальних рівнів як центрів люмінесценції та центрів захоплення, що є причиною багатокомпонентної структури власної УФ люмінесценції МК гранатів і наявності ТСЛ в області низьких температур з спектральним складом, що відповідає цим компонентам.

Встановлена кореляція між наявністю та інтенсивністю власної люмінесценції в діапазоні кімнатних температур МК гранатів, які одержані з розплаву, та величиною нестехіометрії цих сполук, зокрема концентрацією і типом АД (рис. 6). Автор підтвердив, що в гранатах, які одержані методами низькотемпературної кристалізації з РР, АД не утворюються. Зокрема, МП гранатів, вирощені методом РФЕ з РР, вільні від АД і характеризуються гранично низькою концентрацією ВД.

Встановлена природа центрів власної люмінесценції МК та МП YAG і LuAG. В спектрах свічення МП YAG і LuAG переважно наявна люмінесценція АЛЕ в регулярних вузлах ґратки гранату в смугах відповідно з Емах = 4,74 і 4,95 еВ (рис. 7, б). На відміну від МП, спектри свічення МК цих гранатів є суперпозицією смуг люмінесценції АЛЕ, смуг свічення локалізованих в околі АД екситонів (ЛЕ(АД) центри) відповідно з Емах = 4,22 і 4,36 еВ, та смуг люмінесценції АД YAl і LuAl відповідно з Емах = 3,72 і 3,70 еВ (рис. 7, а), що виникають під час випромінювальної рекомбінації електронів з дірками, локалізованими безпосередньо на АД YAl і LuAl.

Встановлено, що в спектрах люмінесценції МП YAG і LuAG, які вирощено з PbO-вмісних РР, крім свічення АЛЕ, наявна також люмінесценція екситонів, локалізованих навколо йонів свинцю (ЛE(Pb) центри) у смугах з Емах = 4,16-4,26 eВ, а також люмінесценція Pb2+-вмісних одиничних і парних центрів в УФ і видимій (В) областях спектру в смугах відповідно з Емах = 3,8-3,44 і 2,4-2,05 eВ (рис. 8). Водночас, інтенсивність свічення ЛE(Pb) центрів і йонів Pb2+ в діапазоні концентрацій цієї фонової домішки 10-3-10-2 ат. % є принаймні на два порядки нижча, ніж інтенсивність люмінесценції ЛE (AД) центрів та АД YAl і LuAl у МК YAG і LuAG.

Із спектрів збудження люмінесценції МК i МП YAG i LuAG встановлено енергії утворення екситонних станів, зв’язаних з АЛЕ (7,12 і 7,41 еВ) і ЛЕ(АД) (6,88 і 7,06 еВ) та АД YAl і LuAl (6,8 і 7,01 еВ) (рис. 9 а). Наявність цих двох піків, що домінують у спектрах збудження відповідно швидких і повільних компонентів люмінесценції, свідчить про існування в синглетного і триплетного збуджених рівнів екситонів, зв’язаних з цими центрами.

Низька інтенсивність свічення АЛЕ у МП YAG і LuAG при збудженні в області міжзонних переходів порівняно із збудженням в екситонній області (рис. 8), а також відносно малий (~2,45 eB) стоксівський зсув цієї люмінесценції вказують на малий поперечний переріз для електрон-діркової рекомбінації під час утворення АЛЕ стану в YAG і LuAG. Це свідчить про те, що випромінювальна релаксація АЛЕ в YAG і LuAG, подібно до інших простих оксидів (Al2O3, Y2O3) [6], відбувається шляхом рекомбінації електронів, локалізованих на 4d1(5d1) + 5s2(6s2) рівнях катіонів Y3+ і Lu3+, з автолокалізованими дірками, на незв’язуючих 2p-рівнях однозарядних йонів кисню O-.

Уперше досліджено природу центрів власної люмінесценції МК LLGG порівняно з МК GGG.