Радиационные процессы в ионных кристаллах (стр. 2 из 5)

При облучении ЩГК светом из области переходов зона-зона происходит ионизация иона галоида (

). В начальный момент в валентной зоне образуется дырка, обладающая запасом кинетической энергии относительно потолка зоны ("горячая" дырка). Перемещаясь по кристаллу, дырка отдает избыток энергии кристаллу (релаксирует) и "всплывает" к потолку валентной зоны. Атом галоида (Х°) неустойчив и в процессе релаксации образует с соседним ионом молекулярный ион . Образование вида при достаточно низких температурах стабильно и ориентировано в направлении < 110> р гранецентрированных кристаллах. Расстояние между ядре т галоидов, входящих в состав - центра, называемого обычно Vk- центром, уменьшается на 30-40%, однако они по-прежнему занимают два анионных узла (рис. 2.3). В данном случае имеет место локализация образующейся при облучении зонной дырки на двух ионах галоида, т.е. автолокализация дырки. Одновременная локализация электро». нон ча дефектах кристаллической решетки прэдотвращаат их рекомбинацию с автолокализоовными дырками и делает возможным дли-дельное существование Vk - центров.

Образовавшаяся при облучении дырка проходит до полной релаксации (автолокализации) некоторое расстояние. Если такая не полностью релансированная дырка встречает на пути ион активирующей примеси

, то она может захватиться им и образовать - центр. Пробег дырка до полной релаксации может быть значительным ( ~100 а, где а - постоянная решетки).

Энергия связи свободного молекулярного иона Xg определяет в основном энергетическую структуру Vk-центра.

Электронная структура основного и возбужденного состояний Vk - центра аналогична таковой в в свободном молекулярном ионе

. Наличие окружающей решетки вносит лишь небольшие изменения в эту структуру. Для Vk -центров характерно наличие сравнительно интенсивных полос поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Спектры оптического поглощения Vk - центра сильно зависят от природы аниона и слабо - от катиона. Это еще разподтверждает, что автоло-калиаованная дырка представляет собой молекулярный ион

лишь слегка искаженный решеткой. Следует подчеркнуть, что Vk - центры могут образовываться и регулярных узлах решетки, в окрестности которых нет никаких структурных дефектов.

Интересным является вопрос о влиянии температуры на вероятность автолокализации дырок. Если релаксированное и нерелакси-рованное состояние квазичрстицы разделены потенциальным барьером, то можно ожидать уменьшения скорости релаксация с пониже нием температуры. До настоящего времени нет экспериментальных данных, которые можно было бы трактовать как проявление актива-ционного барьера для автолокализации дырок. Напротив, обнаружено уменьшение вероятности автолокализации дырок при высоких температурах. В случае кристаллов, содержащих активирующую примесь, наблюдаемый факт предположительно объясняют увеличением вероятности захвата нерелаксированной дырки активатором (

) в области высоких температур. Возможно, это связано с наличием у активаторного центра потенциального барьера, препятствующего захвату тепловой дырки при низких температурах.

При достаточно низких температурах Vk - центры, созданные при облучении кристалла, стабильны, т.е. как число, так и ориентация их остаются неизменными в течение длительного времени. Однако при повышении температуры наблюдаются термически активированные процессы реориентации и движения Vk -центров, приводящие к уменьшению концентрации последних. Термическую стабильность Vk- центров характеризуют с помощью так называемых температуры реориентации Тr, и делокализации (разрушения) Тd . Эти температуры определяются как температуры, при которых скорости изменения ориентации и концентрации Vk -центров максимальны. В случае

- центров значения Тr и Тd близки между собой. Например, для NaCl Tr= 133 К, Td = 150 К; для KCt Тr, = 173 К, Тd = 210 К; для КВr Тr, = 143 К , Тd = 160 К ([20], с.60). Это является отражением того факта, что оба процесса определяются одним механизмом.

При Т< Тd, релаксированные (автолокализованные) дырки практически неподвижны. При Т>Тr , имеет место прыжковая переориентация и движение Vk-центров. В гранецентрированных ЩГК эта прыжковая диффузия происходит обычно с изменением ориентации оси

на 60° или 90°. Термически стимулированная реориентация Vk - центров в кристаллах с решеткой типа NaCl может идти двумя путями.

1. Поворот валентной связи вокруг одного из ядер, входящих в состав

, при котором одно из ядер остается общим для исходной и конечной ориентаций Vk -центра.

2. Термическая диссоциация

и миграция образовавшихся при этом состояний Х° до повторной автолокализации. В данном случае происходит, естественно, замена обоих ядер иона .

В кристаллах с решеткой типа NaCl первый вариант реориен-тации более вероятен. Реориентационные скачки Vk -центров - основной механизм термически активированного движения дырок в ЩГК. Серия термически активированных реориентационных скачков Vk - центра может приводить к перемещению дырки на макроскопические расстояния.

При более высоких температурах могут включаться другие механизмы движения, связанные с разрывом связи в молекулярном ионе

и образованием подвижного состояния Х°.

Таким образом, для дырки характерна два состояния: нерелаксированное (зонное) и релаксированное (автолокализованное). При переходе дырки из нерелаксированного в релаксированное (автолокализованное) состояние качественно меняются ее свойства. Автолокализованная дырка при достаточно низких температурах совершенно неподвижна в том смысле, что за время своей жизни она не успевает совершить ни одного перескока на соседний узел решетки.

Фундаментальная идея о возможности автолокализации электронных возбуждении в идеальной решетке была впервые высказана в 1933 г. Л.Д. Ландау [24]. Экспериментально идея об автолокализаци электронных вовбуждекий впервые подтверждена для дырок в ЩГК [25-26].

Представление об экситоне как о бестоковом электронном возбуждении было введено Я.И.Френкелем в 1931 г. [27]. Оно позволило понять, почему поглощение света в диэлектриках и полупроводниках при частотах, соответствующих электронному возбуждению кристалла, не всегда сопровождается появлением носителей тока (фотопроводимостью). Введение понятия экситона стимулировало поиск экспериментальных проявлений их существования.

Электронное возбуждение, называемое экситоном, расматривается как квазичастица, которая может перемещаться по кpисталлу и переносить при этом энергию, но не переносить электрический заряд. Экситон характеризуется квазиимпульсом, имеет целый спин и подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна.