Заявляемый проект направлен на решение фундаментальной проблемы, связанной с исследованием закономерностей и механизмов процессов переноса заряда и их роли в формировании люминесцентных свойств низкоразмерных нестехиометрических бинарных и многокомпонентных оксидов. Исследование процессов переноса заряда в широкозонных диэлектриках является актуальной проблемой физики конденсированного состояния, поскольку указанные процессы определяют многие радиационно-оптические, люминесцентные и электрические свойства материалов. Особый интерес представляет изучение таких процессов при наличии в материале кластерных дефектов и примесных центров, способных захватывать свободные носители заряда. Установленные закономерности релаксационных процессов в кластерах с дефектами, обоснованные модели и механизмы позволят разработать физические принципы управления свойствами люминесцентных сенсоров для измерения параметров радиационных и температурных полей при решении задач обеспечения радиационной безопасности населения и борьбы с терроризмом.
Низкоразмерные люминофоры с высокой интенсивностью люминесценции можно создать на основе широкозонных оксидов металлов при высокотемпературном спекании в восстановительных условиях. Указанные условия способствуют формированию в материале нестехиометрии по кислороду и кластерных дефектов. Для получения высокой интенсивности люминесценции в исследуемых образцах будет использована методика их термохимического окрашивания, заключающаяся с высокотемпературной обработке (до 1700 оС) нанопорошков в вакууме в присутствии углерода в виде графита для создания сильно восстановительных условий. Указанная методика позволяет получить высокую концентрацию кислородных вакансий, а также заместить примесными атомами дефекты в узлах кристаллической решетки исходного оксида. В заявляемом проекте в качестве объектов исследований будут использован широкий класс анион-дефектных оксидов алюминия, магния, циркония, никеля, кадмия, иттрия и марганца (Al2O3, MgO, ZrO2, NiO, CdO, Y2O3, MnO2), а также сложные многокомпонентные материалы на их основе, в том числе вышеуказанные оксиды, допированные примесями хрома, марганца, магния, лантана, кадмия, натрия, никеля и цинка (Cr, Mn, Mg, La, Cd, Na, Ni и Zn), главным образом, в виде ульрадисперсных керамик, синтезированных из нанопорошков. Для создания нестехиометрии и кластерных дефектов в широкозонных оксидах, наряду с термохимическим, будет использовано радиационное окрашивание образцов. Сравнительный анализ люминесцентных свойств исследуемых оксидов, подвергнутых радиационному и термохимическому окрашиванию, методами фотолюминесценции (ФЛ), импульсной катодолюминесценции (ИКЛ), термостимулированной люминесценции (ТСЛ), ФСЛ с применением ЭПР спектроскопии, фото- трансферной термолюминесценции (ФТТЛ) и фото- термо- стимулированной люминесценцией (ФТСЛ) позволит установить общие закономерности влияния нестехиометрии в анионной подрешетке на процессы переноса заряда с участием кластеров ловушек. При проведении запланированных исследований предполагается использование высокодозного (более 1 кГр) излучения импульсного электронного пучка с энергией электронов 130 кэВ для возбуждения люминесценции образцов оксидных материалов. Следует отметить, что значение используемой энергии электронов (130 кэВ) существенно ниже пороговых энергий дефектообразования в исследуемых материалах. Поэтому используемое нами электронное облучение непосредственно не приводит к образованию кислородных вакансий в исследуемых оксидах, а только стимулирует образование агрегатных кластеров этих дефектов и изменяет зарядовое состояние центров захвата и рекомбинации.
Для моделирования процессов переноса заряда в кластерных системах будут разработаны оригинальные расчетные алгоритмы и программное обеспечение, основанные на применении метода Монте-Карло. Необходимость применения такого подхода обусловлена тем, что в кластерных системах, в отличие от систем с однородно распределенными дефектами, стандартные методы расчета кинетики люминесценции, основанные на численном решении систем дифференциальных кинетических уравнений, становятся не применимыми. Проведение подобных расчетов позволит теоретически обосновать обнаруженные экспериментально закономерности люминесценции, а также предсказать новые эффекты, связанные с протеканием процессов переноса заряда в кластерных системах. Новой научной идеей, лежащей в основе предлагаемой работы, является определение фундаментальных механизмов и особенностей взаимосвязи между люминесцентными свойствами низкоразмерных керамик на основе широкозонных оксидов и их структурными особенностями, обусловленными наличием кластеров собственных и примесных дефектов. В рамках выполнения проекта предполагается определить:
1. параметры многостадийного синтеза исследуемых керамик, влияющие на их люминесцентные свойства, и роль указанных параметров в формировании квантового выхода люминесценции.
2. механизмы свечения исследуемых материалов и природу кластерных дефектов, сформированных в исследуемых образцах в результате легирования примесями, термохимического и радиационного окрашивания.
3. общие закономерности и особенности люминесцентных свойств широкого класса оксидных диэлектриков, допированных различными примесями металлов, на основе анализа экспериментальных данных ИКЛ, ТСЛ, ФЛ, ФТТЛ и ФТСЛ.
4. новые закономерности и кинетические модели процессов переноса заряда в низкоразмерных анион-дефектных оксидах, содержащих кластеры дефектов.
Полученные результаты исследования влияния структуры материала, в том числе кластерных дефектов, примесных центров и нестехиометрии по кислороду, на люминесцентные свойства позволят углубить существующие фундаментальные представления о роли структурного состояния в формировании свойств оксидных диэлектриков. В случае разработки методики синтеза оксидных систем с кластерными дефектами и примесными центрами, чувствительных к высоким дозам ионизирующего излучения, возможно их использование в качестве экспериментальных образцов дозиметрических детекторов. На основе данных экспериментального исследования можно будет создать эффективные люминесцирующие материалы, обладающие высокой интенсивностью свечения, для перспективного применения в устройствах опто- и наноэлектроники.