Кинетика на преориентация на F центрове, при осветяване с неполяризирана F светлина Димитър Попов, Йордан Димов Reorienaion Kineics Of F Ceners In KCL:Na Obained Under Illuminaion Wih Unpolarized F Lighs: Reorienaion kineics in F ceners in KCL:Na has been sudied under illuminaion wih unpolarized ligh of he region of he F absorbion band. I has been shown ha he kineics is monomolecular, as he lifeime of he F ceners oriened in () and () direcions depends on ligh inensiy and emperaure. Key words: F cener, F absorbion band ВЪВЕДЕНИЕ + Ако кристал от KCL е дотиран с примесни йони, с размер помалък от K + + (например Na, Li и др.), при осветяване се образуват така наречените F центрове. F центърът всъщност е система от халогенна ваканция примесен йон, захванала електрон. Докато F центърът показва пълна изотропност по отношение на оптичните си свойства, F центърът е неизотропен, поради смущението на F центъра от страна на примесният йон. Поглъщането на светлината от F центровете е различно за различните направления в кристала. Абсорбционният спектър на кристал с F центрове се състои от две ивици: F ивица, свързана с поглъщане на светлина линейно поляризирана по направление на електричния диполен момент на F центъра и F 2 ивица, която се дължи на поглъщане на светлина, поляризирана в другите две взаимно перпендикулярни направления.(фиг.). След оптично възбуждане в коя да е от ивиците, следва релаксация на кристалната решетка, в резултат на което се получава F център в релаксирано възбудено състояние. Това състояние е едно и също, независимо от това, с каква светлина ( F ил ) се извършва възбуждането. [] Времето на живот на F 2 6 центъра в релаксирано възбудено състояние е около s. 6
Халогенната ваканция може да мигрира около примесния йон, в резултат на което, F центърът се преориентира по трите <> направления. Тази миграция е наречена локална миграция.[2] Активационната енергия за локалната миграция е различна за различните състояния на F центъра. За основно състояние тя е ev, а за релаксирано възбудено състояние,ev. Поради това, скоростта на преориентация силно нараства, при преход на F центърът от основно във възбудено състояние. За да се получи стабилна система от ориентиран центрове, температурата на кристала трябва да бъде достатъчно ниска ( 5 K за KCL : Na ). При тези температури термичната преориентация на F центровете в основно състояние може да се пренебрегне. Експерименталните изседвания показват, че в споменатия температурен интервал се наблюдава преориентация на F центровете само, когато те са в релаксирано възбудено състояние ( F състояние) []. Преориентацията на F центровете при осветяване с линейно поляризирана светлина F светлина, е разгледана в работа []. Тук е разгледана кинетиката на преориентация на F центровете при облъчване с неполяризирана F светлина. Показано е, че кинетиката е мономолекулярна, като при достатъчно ниски температури и достатъчно продължително време на осветяване, може да се получи пълна ориентация на F центровете, в кое да е от<> направленията. ИЗЛОЖЕНИЕ. Кинетика на преориентация Разглеждат се кристали от KCL : Na, в които са образуван центрове. При достатъчно високи температури, в състояние на топлинно равновесие, поради термичната преориентация на F центровете, тяхната концентрация е равномерно разпределена по трите <> направления на кристала. От това състояние кристалът се охлажда рязко до температури, при които няма термична преориентация. Това е изходното състояние за оптическа преориентация. Концентрацията F центровете за всяко от <>направленията е една и съща и е / от общата им концентрация. В това състояние кристалът се осветява с неполяризирана светлина от областта на F ивицата ( F светлина), разпространяваща се в или [] направление.(фиг.) Тази светлина привежда във възбудено състояние само F центровете, ориентирани по направленията X [] и Y[], т.е F центровете. Процесите на: светлинно възбуждане, с енергия на фотоните h ν ; преориентация и преминаване в основно състояние, могат да се резюмират така: F + hν F, kn светлинно възбуждане на F центровете F F, αn връщане на възбуденият F център в основно състояние F F, βn преориентация на възбудените F центрове F F, 2β n преориентация на възбудените F центрове F F, αn връщане на възбуденият F център в основно състояние 7
В означените процес са F центровете и възбудените F центрове, ориентирани в направленията Х и Y, които са на направлението. F са F центровете и възбудените F центрове, ориентирани в направлениe. С n, n, n z, и n z са означени съответните концентрации на F, F, F центровете. Коефициентите k, α и β са съответно вероятностите (приведени към единица обем и единица време) за: светлинно възбуждане на F центровете; за преход на възбудените F центрове ( F ил ) в основно състояние и преориентация на възбудените F центрове ( F центрове). От описаните погоре процеси, следват следните уравнения за скоростта на изменение на концентрацията на съответните центрове. dn = kn + α n () dn = kn α n βn + 2βn (2) dn = βn 2βn αn () dn = αn (4) Към уравненията ( 4 ) трябва да се прибави и алгебричното уравнение n + n + n + n = n = n, (5) където n е концентрацията на F центровете във всеки момент от времето, която е равна на началната им концентрация n. Времето на живот на възбудените F центрове ( F центровете) е много помалко от това на F центровете в основно състояние ( F центровете). Поради това концентрациите на F центровете са много помалки от тези на F центровете в основно състояние ( n и n << n и n ). Освен това, поради малкото си време на живот възбудените F центрове са в квазиравновесно равновесие с F центровете в основно състояние, от което следва dn dn = =. (6) При тези условия от ( ) (4), след пренебрегване на n и n в (5), от (2) и () като се приложи условието (6), се получава k( α + 2β ) n = n. (7) 2 α + αβ От (7) и () следва dn kβ n = n =, (8) α + β където 8
α + α + β β = = (9) kβ k е времето на живот на F центъра по отношение на прехода F F. Решението на уравнението (8) е 2 n = nl = nl, () 2 като n = n. В случая n е началната концентрация на F центровете. От (9) и (5) като се пренебрегнат n и n, следва 2 2 n = n n = n nl = n ( l ). () От (9) и () се вижда, че кинетиката на преориентация на възбудените F центрове при осветяване с неполяризирана F светлина е мономолекулярна. При достатъчно продължително осветяване, ако температурата е достатъчно ниска ( за да няма термична преориентация), е възможно пълно подреждане на F центровете в направление (), съответстващо на направлението на разпространение на светлината. От (9) следва, че времето на живот на F центровете зависи от интензитета на F светлината чрез вероятността k и от температурата чрез вероятността β, като E kt k = σi, β = l, (2) β където σ е ефективното сечение за захващане на фотон от F центъра, E активационната енергия за преориентация на F центровете (около,ev), Т абсолютната температура, k константата на Болцман, β константа. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изследвана е феноменологично кинетиката на преориентация на F центровете в кристали от KCL с примес от Na. При осветяване с неполяризирана светлина от F ивицата, разпространяваща се в направление () или направление. Тази светлина възбужда само F центровете ориентирани в другите две направления на кубичния кристал () и (). Показано е, че концентрацията n на F центровете ориентирани в () и () направления спада експоненциално, а тази на F центровете ориентирани в () направление расте експоненциално. При достатъчно продължително облъчване и ниска температура, е възможно да се получи напълно ориентирана в направление () система от F центрове. ЛИТЕРАТУРА []. F.Luy F Ceners in lcali Halide Crysals cad. Press, New York London 968. [2]. Попов Д.Н Кинетика на фотоиндуцираното образуване на някои електронни цветни центрове в KCl:Na Дисертация за получаване на научна образователна степен Доктор, 98 9
[]. Попов Д.Н., Димов Й.Д. Кинетика на преориентация на неизотропни цветни центрове НАУЧНИ ТРУДОВЕ на РУ 28, том47 серия 9, Русе 28 За контакти: Доц. др Димитър Попов, Катедра Физика, Русенски университет Ангел Кънчев, Тел.: 82 888 58, Еmail: dpopov@ru.acad.bg. Йордан Димов, Катедра Технически и природоматематически науки, Русенски университет Ангел Кънчев Филиал Силистра, Тел.: 86 8252, Еmail: jdimov@abv.bg. Докладът е рецензиран 4