Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка и исследование новых кристаллических, аморфных и наноструктурированных материалов для сцинтилляционных и люминесцентных преобразователей, сенсоров и других применений»

Для качественного анализа влияния рассеяния на спектр возбуждения люминесценции и оптические характеристики слоя предлагается анализ модельного слоя, спектр поглощения которого описывает область фундаментального поглощения с шириной запрещенной зоны, равной 10 эВ, с максимумом поглощения порядка 1.6 10⁶ см^‑1, полосой поглощения в запрещенной зоне на 5 эВ с максимумом порядка 1500 см^‑1, и хвостом Урбаха, типичным для большинства как упорядоченных, так и неупорядоченных систем. Такой коэффициент поглощения показан на рис. 1.4. Пересчитанные из него значения диэлектрической проницаемости и коэффициент отражения показаны на рис. 1.5. Значения этих величин и их поведение типичны для большинства диэлектрических систем с широкой запрещенной зоной.

Коэффициент отражения от слоя толщиной 1 мм при различных значениях коэффициента рассеяния показан на рис. 1.6. Для сравнения приведен коэффициент отражения полубесконечного кристалла (кривая 1). Можно обратить внимание на кривую 2, которая иллюстрирует эффект отражения от задней грани кристалла без рассеяния. С ростом коэффициента рассеяния в области прозрачности кристалла растет коэффициент диффузного отражения, который для сильного рассеяния достигает 100% в области ниже полосы активаторного поглощения (белый сильно рассеивающий слой).

Доля поглощенной образцом энергии показана на рис. 1.7. Для кристалла без рассеяния (кривая 1) доля поглощенной энергии будет определяться формулой (1.11) или ее упрощенным вариантом (1.12), по которым поглощается почти весь свет при условии, что коэффициент поглощения больше обратной толщины образца. Это дает «столообразную» кривую в области активаторного поглощения и в области урбаховского хвоста. С учетом рассеяния начинает сказываться существенное возрастание коэффициента диффузного отражения в области прозрачности, что приводит к уменьшению доли поглощенного света как в активаторной полосе, так и в области урбаховского хвоста поглощения.

На рис. 1.8. изображены спектры возбуждения люминесценции для слоя вещества толщиной 1 мм при трех энергиях фотонов люминесценции – 3 эВ (такие фотоны практически не поглощаются веществом с рассматриваемым модельным коэффициентом поглощения), 4 эВ (на краю полосы активаторного поглощения) и 5 эВ (в максимуме активаторного поглощения). Рассмотрим вначале случай без поглощения фотонов люминесценции (верхняя панель). В том случае, если рассеяние отсутствует, спектр возбуждения повторяет изображенную на рис. 1.7, кривая 1 долю поглощенной энергии. Выход люминесценции в два раза меньше этой доли, поскольку половина фотонов люминесценции испускается в направлении задней грани, и без рассеяния такие фотоны не могут вернуться обратно и выходят через заднюю поверхность. С ростом коэффициента рассеяния растет доля фотонов, рассеянных в направлении передней поверхности, в результате чего выход может увеличиваться почти в два раза. Это справедливо при наблюдении люминесценции с лицевой стороны образца, с которой производится и возбуждение. При наблюдении люминесценции «на просвет» эффект будет обратным – из-за рассеяния фотоны не будут доходить до задней грани образца. С дальнейшим ростом коэффициента рассеяния за счет резко возрастающего коэффициента диффузного отражения будет снижаться выход люминесценции как в области активаторного поглощения, так и в области урбаховского хвоста.

При увеличении коэффициента поглощения для фотонов люминесценции (средняя и нижняя панели рис. 1.8) возрастание выхода происходит только в области фундаментального поглощения. Выход при возбуждении в активатороной полосе при этом растет медленнее или совсем не растет (нижняя панель). Этот результат получен без учета возможного переизлучения фотонов люминесценции, которое приводит не только к росту выхода, но и к затягиванию времени свечения.

Таким образом, при наблюдении люминесценции в режиме «на отражение» рассеяние может повышать выход люминесценции до двух раз по сравнению с кристаллом. Этот эффект достигает максимума при определенном коэффициенте рассеяния, то есть при определенном размере неоднородностей образца. Однако в большинстве случаев рассеяние оказывает негативное влияние.

Рисунок 1.9 – Моделирование влияния рассеяния на спектры люминесценции для следующих значений эффективного коэффициента поглощения возбуждающего света: k_ex=10, 100 и 10⁵ см^-1 (панели a, b и c, соответственно). Спектр люминесценции представлен двумя Гауссианами (с центрами при 2,34 и 2,14 эВ) шириной 0,2 эВ; спектр поглощения примеси представляет собой единственный Гауссиан такой же ширины с центром на 2,5 эВ и максимальным коэффициентом поглощения 10³ см^-1; толщина образца составляет 2 мм, коэффициент рассеяния равен 20 см^-1 на 530 нм, и 200 см^-1 для возбуждающего света. Поглощение показано пунктиром, излучение монокристалла (при отсутствии рассеяния и возбуждающего излучения и излучения люминесценции) – тонкой сплошной кривой и незаполненными треугольниками и кружочками; излучение рассеивающей среды – толстыми сплошными линиями и закрашенными символами. Штриховой кривой на панели b показана люминесценция в случае, когда коэффициент рассеяния для возбуждающего излучения равен 30 см^-1.

4. 
   
   жүктеу/скачать 4,61 Mb.
   
   Достарыңызбен бөлісу: