оптические свойства ионных кристаллов с центрами окраски: лабораторный практикум

ВВЕДЕНИЕ Этот цикл лабораторных работ посвящен оптическим свойствам обширного класса оптических материалов, используемых в фотонике и оптоинформатике – кристаллов с локальными центрами. В качестве объекта, на примере которого можно изучать такие их оптические характеристики, как поляризация люминесценции и соотношение между спектрами поглощения и люминесценции, выбраны ионные кристаллы с центрами окраски, а конкретно – кристаллы фторида кальция с M A+ центрами окраски. Фторид кальция – один из традиционных оптических материалов, широко используемый в оптических элементах и устройствах благодаря таким своим свойствам, как огромная область прозрачности, простирающаяся от вакуумного ультрафиолета до десятков микрон, малая дисперсия показателя преломления, существенная для производства ахроматической оптики, хорошие механические свойства, устойчивость по отношению к оптическому и высокоэнергетическому излучению (лучевая и радиационная стойкость), оптическая изотропия и т.д. Природный фторид кальция именуется «минерал флюорит». Кубическая структура флюорита показана на рис. 1, она характерна для многих кристаллов фторидных, хлоридных, оксидных и даже гидридных соединений. F 2+ 2+ Me = Ca Рис. 1. Структура флюорита. В структуре флюорита имеется три оси 4-го порядка (С4), четыре оси 3-го порядка (С3) и два 6 осей 2-го порядка (С2) – рис. 2 3 Кристаллы фторида кальция с локальными центрами (каковыми могут быть намеренно введенные примеси, собственные дефекты кристаллической решетки или комбинации обоих этих компонент) на протяжении десятков лет являются важными модельными объектами, на котором изучаются многие принципиальные вопросы физики твердого тела, оптики и фотоники. C4 C3 C3 C3 C4 C3 C2 C2 C4 C2 C2 C2 C2 Рис. 2. Оси симметрии в структуре флюорита. Как отмечено выше, сами по себе, кристаллы фторида кальция не содержат локальных центров, электронные переходы в которых были бы ответственны за поглощение и люминесценцию в области прозрачности кристаллической матрицы. Такие центры могут быть созданы посредством так называемого «аддитивного окрашивания» кристаллов. Эта процедура состоит в отжиге выращенных кристаллов в восстановительной атмосфере паров металла (кальция) при температуре, примерно вдвое меньшей, нежели температура плавления кристалла (Тпл = 1418οC). В ходе этой процедуры на поверхности кристалла протекают химические реакции, следствием которых является диффузия в его объем двух потоков – анионных вакансий и электронов. При этом зарядовая нейтральность кристалла не нарушается, поскольку эти две компоненты имеют противоположный заряд. В объеме они рекомбинируют, образуя набор центров окраски. Простейшим из них является F-центр, состоящий из анионной вакансии и связанного на ней электрона (кристаллический аналог атома водорода). Наряду с ними образуются центры, состоящие из двух, трех или четырех анионных вакансий с соответствующим количеством электронов (соответственно M-, R- и N-центры), а также высоко-агрегированные центры, содержащие большее количество вакансий и электронов (вплоть до десятков тысяч). Наличие в кристаллах определенных примесей приводит к ассоциации с ними анионных вакансий; при этом образуются так называемые «возмущенные центры окраски». К числу таких примесей 4 относятся щелочные металлы (литий, натрий, калий). Будучи отрицательно за