Студент: Исакова А. А
Скачать 136.68 Kb.
|
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Оптические свойства импактных алмазов Студент: Исакова А.А. Группа : ФЛ-71М Научный руководитель: Елисеев А.П. 2012 ОглавлениеОглавление 2 Введение 3 Объект и методы исследования 6 Результаты и обсуждение 10 Спектры пропускания/поглощения 10 Фотолюминесценция 14 Спектры возбуждения люминесценции 17 Tермостимулированная люминесценция 17 Выводы 20 ВведениеК настоящему времени известно, что из атомов углерода могут быть построены самые разные структуры. Образуются линейные (чаоит), слоистые (графит, графен) и координационные (объемные) структуры, к которым относится и алмаз. Интерес к углеродным структурам огромен из-за широкого диапазоны и в ряде случаев, рекордных значений параметров (твердости, химической, радиационной и оптической устойчивости, подвижности носителей заряда и т.д.). Сегодня алмаз является одним из наиболее изученных неорганических материалов. К настоящему времени разработаны методы получения (синтеза, выращивания и т.д.) объемных кристаллов и пленок алмазов с кубической структурой в лабораторных и промышленных условиях. Алмазы широко используются в науке и промышленности, особенно в ювелирном деле и при обработке материалов. Лабораторные исследования показали, что для образования алмаза нужны высокие температуры и давления: более 1000ºС и 40 кбар, соответственно. В природе гораздо большие Р и Т параметры реализуются при ударных процессах, например при ударе метеорита о Землю, по оценкам, давления Р достигают значений 3000 ГПа (30000кбар) и температуры Т до 4000ºС. В таких условиях образуются углеродные структуры другого типа- импактные алмазы. По результатам структурных исследований установлено, что импактные алмазы представляют собой смесь различных углеродных фаз, в том числе, кубического и гексагонального алмаза. Гексагональный алмаз известен также как лонсдейлит (можно объяснить откуда такое название). Эта структура получила название лонсдейлита и в 1967 г. он был получен при 13ГПа, 1000ºС в лаборатории. Решетки алмаза и лонсдейлита отличаются способом упаковки. Для лонсдейлита характерна двухслойная упаковка типа (…АВАВ…), где каждый последующий тетраэдрический слой повернут на 60° по отношению к предыдущему. Для алмаза — трехслойная типа (…АВСАВС…), где все слои построены из одинаковых координационных тетраэдров. К настоящему времени он изучен достаточно слабо, но из привлекательных его особенностей является более высокая по сравнению с кубическим алмазом твердость (по теоретическим оценка она в 1.54 раза выше, чем у кубического алмаза) и прочность на износ. Предварительные экспериментальные оценки показали, что для импактных алмазов из Попигайского кратера прочность, действительно, превышает параметры обычного кубического алмаза в среднем в 2 раза. Этот материал малодоступен для исследователей и как следствие его физические и, в частности, оптические свойства, изучены относительно слабо. Темой моих исследований являются оптические свойств импактных алмазов из Попигайской астроблемы (метеоритного кратера), диаметром около 100 км, на Севере Красноярского края, которая образовалась при ударе тела диаметром около 6 км во Землю 35 млн.лет назад [1]. Положение кратера показано на Рис.1.  Рис 1 Попигайский кратер - расположенный в Красноярском крае Изучение оптических свойств импактных алмазов важно как с точки зрения характеризации нового углеродного сверхтвердого минерального продукта, так и в целях получения информации о присутствующих углеродных фазах, в частности, лонсдейлите и особенностях кубического алмаза, образовавшегося в ударном процессе. Важной представляется также оценка возможностей его применения в оптоэлектронике. Объект и методы исследованияЦелью работы являлось изучение физических свойств импактных алмазов методами оптической спектроскопии (абсрбционной, люминесцентной, термоактивационной). Спектры пропускания в области прозрачности (от УФ до среднего ИК) оцениваются и сравниваются с результатами для кубических алмазов. Низкотемпературная фотолюминесценции (ФЛ) и возбуждения ФЛ записаны с использованием синхротронного излучения. На Рис.2 показаны типичные Попигайские импактные алмазы (ПИА). Это куски размером до 1.5 мм сложной формы, обычно уплощенные, цвет которых варьируется от черного, может быть желтым, зеленоватым и до бесцветного в зависимости от фазового состава. Черные цвет можно отнести ко включениям графита. Мы изучили поглощения и фотолюминесценцию десяти образцов, которые были прозрачными. Также имелись образцы небольшим оттенком цвета, но данные образцы имеют достаточно слабую фотолюминесценцию. Для более детального представления струткуры на Рис. 3 показан увеличенный образец POP4. Для очистки поверхности образца до измерения алмазов кипятят 10 минут в хлористой кислоты (3:1 смеси соляной и азотной кислот), что позволяет удалить органические и минеральные загрязнений с неоднородной поверхностью образца.  Рис 2 Образцы Попигайских импактных алмазов   Рис.3 Образец POP4, в проходящем светеб его толщина - 30μm Спектры пропускания в были записаны с помощью УФ - спектрометра Shimadzu (диапазон от УФ – до ближней ИК области), тогда как в среднем ИК диапазоне использовался Фурье-спектрометр Infralum-801. Для локальных измерений мы использовали ИК-спектрометр Vertex 70 согласованный с микроскопом Hyperion. В большинстве случаев люминесценция связана с точечными дефектами, собственными или примесными, и используется для их обнаружения и идентификации, причем чувствительность метода очень высока (до регистрации одиночных фотонов/дефектов). Спектры фотолюминесценции (ФЛ) были получены при температуре 80К и комнатной температуре на установке состоящей из источника излучения (1 КВт Хе лампа), металлического вакуумного криостата с кварцевыми окнами, спектрометра СДЛ-1 и приемника излучения (фотоумножитель). Излучение источника перед попаданием на образец проходило через монохроматор МДР2. В случае ФЛ имеется возможность получить и спектр поглощения, относящийся к данному центру люминесценции: для этого фиксируется длина волны излучения (в пределах полосы ФЛ) и сканируется длина волны возбуждающего света с использованием монохроматора. Полученная зависимость интенсивности свечения от длины волны называется спектром возбуждения люминесценции (СВЛ) и позволяет построить диаграмму энергетических уровней центра люминесценции. Данный метод отличается на много порядков более высокой чувствительностью и в отличие от спектра поглощения относится к определенному дефекту. [2] При ионизации центров люминесценции, например при накачке нелинейного кристалла, генерируются свободные носители заряда. Часть из них может быть захвачена на центрах захвата или ловушках носителей заряда. Такие захваченные носители заряда могут находиться на ловушках достаточно долго (в общем случае до сотен лет) и они ответственны за дополнительное поглощение кристаллов с такими дефектами. Последнее, в свою очередь, влияет на выходные параметры нелинейных кристаллов, в частности их прозрачность. Опустошение центров захвата происходит при нагреве кристалла или при засветке подходящим (длинноволновым) светом.. Для выявления ловушек, определения их концентрации и кинетических параметров (энергия термической активации и др.) используется метод термостимулированной люминесценции (термолюминесценции, ТЛ). Смысл метода заключается в засветке кристалла при низкой температуре и дальнейшем прогреве кристалла в темноте с постоянной скоростью. На первом этапе имеет место ионизация глубоких центров с локализацией освободившихся носителей заряда на центрах захвата (ловушках). На втором этапе регистрируется и анализируется свечение кристалла в темноте: полученные кривые термолюминесценции представляют собой набор пиков, каждый из которых соответствует определенному центру захвата (ловушке). Известно много методов для расчета параметров центров захвата по данным термостимулированных методов, которые делятся в целом на частные и общие. Общие методы расчета основаны на моделировании формы всей кривой и сравнении ее с экспериментальной. Частные методы заключаются в оценке параметров через некоторые геометрические параметры пиков ТСЛ (положение максимума, полуширины, симметрия пика и т.д.). Кривые термостимулированной люминесценции (ТСЛ), регистрировались с использованием фотоумножителя, на месте монохроматора. Результаты и обсуждениеСпектры пропускания/поглощенияСпектр пропускания приведен на Рис.4 в сравнении с обычным кубическим алмазом. Для последнего пропускание начинается резким подъемом при 225 нм (2), для импактного алмаза характерно медленное нарастание пропускания в диапазоне 0.2-6 микрон, которое типично для структур с большим количеством субмикронных светорассеивающих включений. Медленно ослабевающие с увеличением длины волны потери из-за Рэлеевского рассеяния света на субмикронных включениях посторонних фаз описывается аналитическим выражением (σ~λ-4r6), где λ – длина волны, r - размер включений, а σ - поперечное сечение рассеяния. [3].  Длина волны, нм Длина волны, нм  Рис 4 Спектр пропускания импактного алмаза(1) и кубического(2) Спектр поглощения позволяет определить ширину запрещенной зоны полупроводника по аппроксимации линейной части спада коэффициент α(λ) на ось абсцисс λ или hν , по так называемому краю поглощения Урбаха. Для монокристаллических образцов кубического алмаза характерна высокая прозрачность в диапазоне прозрачности, построение поглощения в координатах (α*hν)2= f(hν)[4], как изображено на Рис 5 и 6, показывает прямолинейный участок к края собственного поглощения, пересечение которого с абциссой дает ширину запрещенной зоны Eg=5.15 эВ.[5] Это случай разрешенных прямых переходов между параболическими зонами. Видно, что диапазон прозрачности импактных алмазов близок к кубическому , что вполне ожидаемо: основной компонентой импактного алмаза является как - раз кубических алмаз. Другая важная компонента импактного алмаза - лонсдейлит и, судя по той же sp3 гибритизации и примерно тем же длинам связей ожидаются близкие значения и для Eg. Сильное светорассеяние в импактном алмазе объясняется поликристалличностью и высокой концентрацией включений (фаз) между микроблоками.  Энергия фотона, еВ  Рис 5 Оценка ширины запрещенной зоны импактного алмаза  Энергия фотона, еВ  Рис 6 Кубический алмаз: 1- монокристаллическая пленка из компании De Beers, 2-природного алмаза типа IIa и 3 –поликристаллическая пленка  С А В1 Волновое число , см-1  Рис 7 Спектры поглощения импактных алмазов: G1 (линия 1), G2 (2), G4 (3) и G6 (4) в разделе (а) в сравнении с спектров поглощения в течение трех природных алмазов (б) типов Ib (5), IAA (6) и IaAB (7). Фрагмент спектров в среднем ИК показан на Рис 7. В области 1700-2500 см-1: форма спектра поглощения в импактных алмазах очень похожа на поглощение кубических алмазов: три широкие полосы около 1900, 2200 и 2500 см-1 (собственное поглощение в решетке алмаза). На сегодняшний день нет информации о спектре поглощения гексагонального алмаза (лонсдейлита). В однофононной области спектра (800-1332 см-1) в кубическом алмазе в подавляющем числе кристаллов наблюдается поглощение азотных центров- одиночных и парных замещающих (С и А, соответственно), а также пластинчатых образований-плейтлейтцев (центры B). Спектр поглощения импактных алмазов существенно отличается от кубического алмаза - нет ничего похожего на азотные центры. Как правило, наблюдается новая структура с основными полосами 1080, 1230 см-1, которую можно отнести к лонсдейлиту. Поглощение в точке 2000 см-1 используется в качестве эталона в кубических алмазах (12.31 см-1). В импактных алмазах реальное поглощение в этой точке значительно ниже (6-8 см-1), вполне возможно это отражает вклад кубического алмаза в импактном. Толщина четырех образцов была оценена с помощью оптического микроскопа и микрометра. Можно видеть, что в 1995 см-1 поглощение примерно то же самое для G1 и G2 (таблица 1) и немного выше для G4 (15 см-1). Несколько ниже поглощения G6 может быть результатом его клиновидной формы. Можно заключить, что решетка поглощения в 1800-2500 см-1 примерно одинакова для кубических и гексагональных алмазов. Некоторые отклонения могут быть связаны с нанокристаллической структурой. Можно предположить, что поглощение в однофононной области может быть связано с собственными, структурными дефектами или смешанными, с участием примесей, которые появляются при наличии структуры лонсдейлита или наноразмерном, поликристаллическом состоянии кубического алмаза. Нельзя также полностью исключить азотную природу поглощения, принимая во внимание тот факт, что новые системы в спектрах и поглощение азотных центров в кубических алмазов сконцентрированы в одном спектральном диапазоне. Интенсивные группы линий около 2355 см-1 относится к колебаниям газообразного СО2 . СО2 - поглощение в объеме импактных алмазов и оно не может быть полностью устранено очисткой поверхности. Таблица1. Особенности спектров пропускания импактных алмазов
ФотолюминесценцияНа Рис. 8 приведены спектры ФЛ при различных возбуждениях. В спектрах доминируют широкие полосы с максимумами 500, 630 и 720 нм, при температуре T=80 K наблюдаются слабые и относительно широкие бесфононные линии 596.6; 700; 713 и 773.8 нм. В вид свечение белесо-оранжевое( рис. 9). В спектрах рентгенолюминесценции фиксируется также коротковолновая компонента-широкая полоса около 440 нм Для сравнения на рисунке представлены спектры наиболее распространенных электронно-колебательных систем систем Н3, 638 и GR1, соответствующих азотным дефектам со структурой N2V, NV и V0 (вакансия). Видно, что спектры представляют собой хорошо выраженную узкую бесфононную линию (БФЛ) и широкое, структурированное плечо (полоса) фононных повторений- результат электрон-фононного взаимодействия. Радиационная ширина БФЛ кубических алмазах (синтетических или природных) оценивается в 0.01 нм, реальная значительно больше (~ 1 нм) вследствие неоднородного уширения. Особенностью импактных алмазов является доминирование широких, бесструктурные полосы, БФЛ встречаются достаточно редко и их ширина составляет от 2 до 4 нм. Особенностью ФЛ алмазов из Попигайской астроблемы является отсутствие тонкой структуры системы, с хорошо выраженными БФЛ, которые характерны как для натуральных, так и для синтетических кубических алмазов.  Рис 8 спектры Фотолюминесценции верхний спектр - кубического алмаза, ниже предстваленны полученные спектры импактьных алмазов  Длина волны, нм Длина волны, нм   Рис 9 Фолтолюминесценция ипактных алмазов ( предварительно отобранные светлые образцы) Спектры возбуждения люминесценцииНа Рис.10 приведены спектры возбуждения люминесценции: видны пара широких полос с максимумами 420 и 520 нм в видимой области спектра. Выявлены широкие полосы возбуждения люминесценции /поглощения 420 и 520 нм, соответствуют внутрицентровым переходам из основного в возбужденное состояние в точечных дефектах, ответственных за желтую и ИК люминесценцию в импактных алмазах.  Длина волны, нм  Рис10 Спектры возбуждения люминесценции Tермостимулированная люминесценцияКривые ТСЛ были получены после возбуждения светом видимого диапазона от Хе лампы. Нагрев производился в диапазоне температур 80-350 К.: Расчет производился используя данную формулу [6]:  Результаты приведены в Таблице 2. для каждого из исследуемых пиков определены параметры центров захвата.  Т, К  Рис 11 Спектры термостимулированной люминесценции и аппроксимация в предположение четырех компонент( слошные линии) Таблица 2 показана экспериментальная кривая ТСЛ и ее аппроксимация несколькими (4мя) пиками:
Выводы1. Диапазон прозрачности импактных алмазов близок к известному для кубического алмаза. Значения Eg >5.2 эВ. .Сдвиг края фундаментального поглощения в меньшей энергией (4.9 эВ) в воздействии алмазов по сравнению с кубической алмаза (5,5 эВ) связана с наличием гексагональной фазы алмаза. Желтоватый цвет воздействия алмазов, вероятно, из-за рассеяния света Рэлея на дефектах структуры (блоков и фазовые границы). 2. Образцы импактных алмазов характеризуются сильным рэлеевским рассеянием света на протяженных дефектах (микровключениях или границах фаз). В диапазоне 1800 до 2800 см-1 идентифицировано поглощение, относящееся к кубическому алмазу. Поглощение на 1995 см-1 составляет 12,3 см-1, это же значение сохраняется и для импактных алмазов. Отсутствует характерное для кубических алмазов поглощение азота в однофононной области спектра, но обнаружены несколько новых групп на 969, 1102, 1225, 1330 см-1. 3. Импактные алмазы характеризуются широким набором центров люминесценции излучающих в диапазоне 500-800 нм (1.5-2.5 эВ), уширение БФЛ указывает на деформации в структуре. Определены параметры центров захвата Список литературы
| ||||||||||||||||||||||||||||||||
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Классный час среди старшеклассников проводит Г. Б. Исакова Галина... Исакова, Г. Б. Умей сказать: нет! // Читаем, учимся, играем. – 2008. № –С. 108-110 | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Турмасовский филиал им. Героя Советского Союза В. Л. Исакова мбоу заворонежской сош |
| Методические рекомендации по формированию учебно-организационных Учителя начальных классов: Орлова О. И., Беляева М. С., Пылина Т. И., Боголюбова И. В., Желтоногова Н. В., Мальцева Л. Ф., Кармакских... | | Устный журнал «Кострома гимназическая» Ромашук Н. А. 24. 02. 2014... Шитикова Н. А., Хабибуллина Ю. С., Исакова Е. Р., Масленникова Л. И., Богданова О. Н., Молотилова Т. В |
 | Методические разработки «Инновационные формы оценивания личностных... Оценка качества макаронных изделий. Урок-практикум. (Исакова С. Ю. Сыктывкарский торгово-технологический техникум) | | В базе данных Исакова О. Н. Основы поиска патентов в базе данных Европейского патентного ведомства: Препринт 03 – Новосибирск: гпнтб со ран, 2003.... |
| Исакова Наталья Владиславовна Формы взаимоотношений между организмами.... ... | | Исакова Людмила Михайловна учитель швейного дела высшей квалификационной... Мы повторили пройденный материал и теперь можем приступать к пошиву юбки. (Образец) |
| Рекомендации по написанию курсовой работы При подготовке курсовой... Затем студент приступает к сбору информации. Первоначальное представление о теме и структуре работы можно составить по учебникам,... | | «Эволюция органа зрения. Формирование органа зрения и постнатальное созревание его структур» Методическое пособие для самостоятельной работы для студентов по подготовке к контрольным и курсовым работам и рейтинг программа... |
| Реферат международный лизинг студент 506 гр специальности «Государственное... Студент 506 гр специальности «Государственное и муниципальное управление» | | Реферат по почвоведению студент 1 курса 6 группы Васильев Павел Сергеевич... Реферат по почвоведению студент 1 курса 6 группы Васильев Павел Сергеевич |
| Студент 1 курса | | Здравствуйте уважаем я Холбозоров Хомиджон студент экономического... Вашего ответа зависит вся моя жизнь, Прошу Вас быть может не ради меня, но хотя бы ради моего отца, который с больным сердцем и с... |
| Реферат Материалы комплексного экологического обследования участка... Гашек В. А., Куликов П. В., Исакова Н. А., Кнауб В. А., Лагунов А. В., Самойлова Н. М., Смагин А. И., Снитько В. П., Шиманская М.... | | Контрольная работа выполняется в виде реферата. Тему контрольной... Тему контрольной работы студент выбирает в соответствии с порядковым номером в журнале группы. Список прилагается |
