Книги по разным темам Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 5 Электронные возбуждения, возникающие вследствие пластического деформирования ионных кристаллов й В.А. Закревский, А.В. Шульдинер Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: V.Zakrevsky@pop.ioffe.rssi.ru Изучались электронная эмиссия и люминесценция, сопровождающие пластическое деформирование щелочноЦгалоидных кристаллов (ЩГК). Показано, что пересечение дислокаций может приводить к возникновению электронных возбуждений. Деформационная электронная эмиссия и люминесценция обусловлены релаксацией этих возбуждений.

При изучении влияния механических напряжений на и затем подвергались сжатию с постоянной скоростью твердые тела основное внимание уделяется реакции вдоль направления [001]. Скорость деформирования на нагрузку решетки, т. е. изменению взаимного рас- могла меняться от 10-5 до 10-1 s-1, температура положения атомов, образованию структурных дефектов образца Ч от 200 до 700 K. Давление остаточных газов и разрывов сплошности (трещин). Меньшее значение составляло 10-8 Pa. Электронная эмиссия и люмипридается отклику электронной подсистемы, так что до несценция регистрировались соответственно вторичным недавнего времени было неясно, возможно ли иницииэлектронным умножителем (ВЭУ) ВЭУ-6 и фотоэлекрование электронных переходов механическими нагрузтронным умножителем (ФЭУ) ФЭУ-106. Регистрация ками. Вместе с тем очевидно, что искажения решетки излучений производилась в режиме счета импульсов.

могут создавать условия для реализации электронных пеПри измерении спектра люминесценции использовались реходов, неосуществимых в ненапряженных материалах.

два ФЭУ, один из которых регистрировал интегральное Поскольку свойства твердых тел определяются обеими свечение, а второй, помещенный за выходной щелью подсистемами, при изучении процессов деформирования монохроматора ДМР-4, Ч излучение с определенной и разрушения необходимо учитывать реакцию на надлиной волны.

грузку электронной подсистемы. Действительно, энергия На рис. 1 представлены типичные результаты изможет запасаться не только в упруго деформированной мерений деформационной электронной эмиссии (ДЭЭ) решетке, но и в электронной подсистеме в виде электрони деформационной люминесценции (ДЛ), полученных возбуждений. Освобождение энергии электронных ные при деформировании образца LiF со скоростью возбуждений может ускорять процессы деформирования = 2 10-3 s-1 при комнатной температуре. На графике и разрушения.

представлены зависимости интенсивности ДЭЭ IDEE, инРелаксация электронных возбуждений сопровождается тенсивности ДЛ IDL и нагрузки на образце F от степени излучением фотонов и электронов. К началу данной деформации. ДЭЭ и ДЛ возникают, как правило, одноработы было известно, что при образовании крупных тревременно после завершения стадии легкого скольжения, щин в кристаллах наблюдаются свечение и электронная когда деформация достигает 1Ц2%. Обычно интенсивноэмиссия [1Ц3]. Однако эти наблюдения были выполнены сти ДЭЭ и ДЛ сохраняют после короткого периода роста на воздухе или в относительно низком вакууме и ряд примерно постоянные значения. Подобные результаты данных указывал на возможную связь регистрируемых были получены и для образцов кристаллов NaF.

излучений с электрическими разрядами, инициированТаким образом, пластическое деформирование ЩГК ными поляризацией кристаллов под нагрузкой [4]. Роль сопровождается электронной эмиссией и люминесценпластической деформации, которая всегда сопровождает цией. Здесь следует отметить, что в данной работе разрушение, также оставалась неопределенной. Поэтому использовались кристаллы, не подвергавшиеся до деперед авторами стояла задача проведения опытов в услоформирования каким-либо возбуждающим воздействиям.

виях, исключающих возникновение разрядов и позволяЭто указывает на радикальное отличие наблюдавшихся ющих судить о роли пластической деформации. Этим явлений (ДЭЭ и ДЛ) от люминесценции деформируемых условиям соответствует пластическое деформирование окрашенных (предварительно облученных) кристаллов, кристаллов с постоянной скоростью в сверхвысоком исследованной рядом авторов (см. обзор литературы вакууме. Выбор в качестве объекта исследований ЩГК в работе [5]). Люминесценция облученных кристалпозволил обоснованно судить о характере взаимосвязи деформационных процессов с эмиссионными явлениями, лов возникает вследствие стимулированного деформатак как особенности эволюции дислокационной структу- цией разрушения наведенных радиацией центров окрасры этих кристаллов хорошо изучены. ки [6] и по этой причине ее предпочтительней назыИсследовались номинально чистые монокристаллы вать в отличие от ДЛ деформационно-стимулированной LiF и NaF. Образцы прогревались в вакууме при 550 K 6 h люминесценцией.

Электронные возбуждения, возникающие вследствие пластического деформирования ионных... Спектр ДЛ был получен для кристалла LiF при комнатной температуре. Он показан на рис. 2 без поправки на спектральную чувствительность ФЭУ. Спектр подобен спектру рентгенолюминесценции LiF [8] и содержит две полосы с max1 280 nm и max2 400 nm. Согласно [8], коротковолновая полоса обусловлена рекомбинацией F-центров с подвижными при комнатной температуре VK- (или VF-) центрами (-люминесценция).

Длинноволновая полоса связана с присутствием примесей в кристалле и, скорее всего, возникает при рекомбинации электронных центров, содержащих ион Mg, с VK-центрами [4].

Для деформированного кристалла NaF наблюдался селективный фотоэффект, обусловленный возникновением в образцах при нагружении F-центров. Кроме того, наблюдалась ТСЭЭ LiF и NaF, вызванная термическим разрушением возникших при пластическом деформировании электронных центров окраски [9].

Приведенные экспериментальные данные показывают, Рис. 1. Зависимость интенсивности ДЭЭ IDEE, интенсивности что при пластическом деформировании ЩГК возникают ДЛ IDL и нагрузки на образце F от относительной деформации центры окраски, подобные тем, какие образуются под для кристалла LiF. Штриховыми линиями показаны IDEE и IDL действием ионизирующих излучений. С другой стороны, для образцов с лесом дислокаций.

из полученных данных следует, что ДЭЭ и ДЛ не могут возникать из-за микротрещин, образующихся, по мнению некоторых авторов [10], в данных кристаллах уже при Приведенные на рис. 1 данные позволяют предполо- небольших деформациях. Действительно, ДЭЭ и ДЛ начинаются по окончании стадии легкого скольжения жить, что ДЭЭ и ДЛ связаны с пересечением дислокаций.

Действительно, в LiF пересечение дислокаций начи- в LiF, когда возникновение трещин маловероятно. По мере роста деформации и нагрузки в процессе сжатия нается по завершении стадии легкого скольжения [7], скорость трещинообразования должна расти, однако инвызывая деформационное упрочнение кристалла, в это тенсивности ДЭЭ и ДЛ остаются практически неизменже время возникают ДЭЭ и ДЛ. Тесная взаимосвязь ными. Понижение температуры и увеличение скорости между пересечением дислокаций и ДЭЭ и ДЛ была деформации также повышают вероятность возникновеподтверждена в опытах с кристаллами LiF с лесом ния трещин, но при этом число квантов, излученных за дислокаций и с выделенной системой плоскостей скольвремя, соответствующее увеличению деформации на 1%, жения, приготовленными по методикам, предложенным уменьшается [4]. Отсутствие связи между трещинообрав [7]. Деформирование кристаллов с одиночной системой зованием и эмиссионными явлениями подтверждается скольжения, при котором не происходит пересечение и результатами анализа амплитудного распределения дислокаций, не сопровождалось эмиссимонными явлеимпульсов на выходе ВЭУ, полученного в процессе ниями. Деформирование кристаллов с наклонным лесом регистрации ДЭЭ [4].

дислокаций, напротив, приводило к возникновению интенсивных ДЭЭ и ДЛ (штриховые кривые на рис. 1). Они возникали сразу после прохождения предела упругости, т. е. тогда, когда движущиеся дислокации начинают пересекать дислокации леса.

Было показано, что интенсивности ДЭЭ и ДЛ кристаллов LiF изменяются с температурой и скоростью деформирования. Анализ температурных зависимостей интенсивности излучений показал, что ДЭЭ и ДЛ являются термостимулированными процессами с энергией активации около 0.3 eV [4].

Наблюдение электронной эмиссии и люминесценции указывает на возникновение электронных возбуждений (электронных и дырочных центров окраски) в деформируемых кристаллах. Данные о природе этих центров были получены в результате изучения спектра ДЛ, а также фотостимулированной электронной эмиссии и термостимулированной электронной эмиссии деформированных Рис. 2. Спектр деформационной люминесценции кристалкристаллов.

а LiF.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 902 В.А. Закревский, А.В. Шульдинер Для разработки механизма явления было важно выяс- следствием протекания межцентрового трехчастичного нить, какие именно пересечения приводят к рождению Оже-процесса. Наконец, следует отметить, что безызлуцентров окраски. Как известно, кристаллы с решеткой чательная рекомбинция сопровождается локальным ратипа NaCl имеют шесть эквивалентных систем плоско- зогревом решетки. При этом возможно значительное стей скольжения, пересекающихся под углом 90 (орто- ускорение процессов деформирования и разрушения, погональные) или 60 (наклонные). Вработе [4] показано, скольку в объеме, соответствующем одной элементарной что ДЭЭ и ДЛ являются следствием пересечения только ячейке, выделяется энергия в несколько eV.

наклонных дислокаций.

Из общих соображений ясно, что электронные переСписок литературы ходы, приводящие к возникновению центров окраски, могут осуществляться в результате сильных локаль[1] Н.А. Кротова, В.В. Карасев. ДАН СССР 92, 3, 607 (1953).

ных искажений решетки, сопровождающих пересече[2] L.M. Belyaev, Yu.N. Martyshev. Phys. Stat. Sol. 34, 1, ние дислокаций. Энергия электронного возбуждения в (1969).

щелочно-галоидных кристаллах, согласно [11], составля[3] J. Wollbrandt, E. Linke, K. Meyer. Phys. Stat. Sol.(a) 27, 2, ет = (e2/c) +EA - EI, где Ч коэффициент K53 (1975).

Маделунга, e Ч заряд электрона, 2c Ч постоянная [4] V.A. Zakrevskii, A.V. Shuldiner. Phil. Mag. B71, 2, 127 (1995).

решетки, EA Ч сродство атома галоида к электрону и [5] Molotskii, S.Z. Shmurak. Phys. Lett. A166, 3Ц4, 286 (1992).

EI Ч энергия ионизации атома металла. При достаточно [6] A.V. Shuldiner, V.A. Zakrevskii. Radiation Protection Dosimetry 65, 1Ц4, 113 (1996).

сильных искажениях решетки может уменьшиться для [7] Б.И. Смирнов. Дислокационная структура и упрочнение выделенной анион-катионной пары до величины, удокристаллов. Наука, Л. (1981). 235 с.

влетворяющей условию пересечения уровней основного [8] A. Tomita, N. Hirai, K. Trutsumi. Jpn J. Appl. Phys. 15, 10, и возбужденного состояний квазимолекулы ( 0).

1899 (1976).

В результате становятся возможными неадиабатические [9] В.А. Закревский, А.В. Шульдинер. ФТТ 27, 10, электронные переходы между этими уровнями, сопро(1985).

вождающиеся рождением электронно-дырочных пар [12].

[10] R. Albrecht, V. Schmidt, V.I. Betekhtin. Phys. Stat. Sol. 39, 2, Из всех типов пересечения дислокаций к наибо621 (1977).

ее сильным искажениям решетки типа NaCl приводят [11] Р. Нокс. Теория экситонов. Наука, М. (1966). 219.

термоактивированные пересечения наклонных дислока[12] А.А. Кусов, М.И. Клингер, В.А. Закревский. ФТТ 32, 6, ций [12]. Можно думать, что именно с такими пересе(1990).

чениями связано возникновение ДЭЭ и ДЛ. Важно, однако, отметить, что пересечения наклонных дислокаций в LiF происходят преимущественно по атермическому механизму Орована [7]. Доля термоактивированных пересечений невелика и экспоненциально растет с температурой, как и интенсивность ДЭЭ и ДЛ. Величина энергии активации пересечения наклонных дислокаций в LiF была оценена в 0.3 eV [4], что совпадает с энергией активации ДЭЭ и ДЛ. Эти данные указывают на верность сделанного предположения о связи ДЭЭ и ДЛ именно с термоактивированными пересечениями наклонных дислокаций. Зависимость интенсивности излучений от скорости диформирования можно объяснить в этом случае тем, что при увеличении снижается время взаимодействия пересекающихся дислокаций и, следовательно, уменьшается доля термоактивных пересечений.

Соответственно снижается число излученных квантов и электронов.

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы. При пересечениях дислокаций указанного выше типа, сопровождающихся резкой перестройкой атомной структуры, создаются условия для неадиабатических электронных переходов (с вероятностью 10-2 [12]).

Возбужденные электроны захватываются возникающими при деформировании анионными вакансиями, образуя электронные центры окраски. Возникшие дырочные VKи VF- центры мигрируют по кристаллу и рекомбинируют с неподвижными электронными центрами. В результате возникают ДЭЭ и ДЛ, причем ДЭЭ является Физика твердого тела, 1999, том 41, вып.    Книги по разным темам