Тушение фотолюминесценции полем

1.4.4. Тушение фотолюминесценции полем

В работах [40-42] исследовано тушение фотолюминесценции об­разцов ZnS:Сu с зеленым свечением (ЭЛ-510 и ФК-106). Слои порошкообразных люминофоров толщиной 30-­50 мкм находились во время измерений в вакууме. Об­щий вид зависимости В_фэл от напряжения V был одина­ковым как для электро-, так и фотолюминофора, хотя для последнего значения V, при которых появлялась замет­ная ЭЛ, увеличивались примерно в 10 раз. В минимуме кривой В_фэл на рис. 6 ΔВ_фл составляет обычно несколько процентов от величины В_фл.

Зависимость абсолютной величины тушения ΔВ_фл от напряжения V приведена на рис. 7.

В области малых V и в области более высоких V, в которой наблюдается одновременно небольшая ЭЛ и гашение фотолюминесценции, величины ΔВ_фл и В_эл подчиняются одной и той же эмпирической зависимости:

В~ехр (-b_кV^-1/2)

 хотя величина b_к для случая тушения в несколько раз меньше, чем в случае ЭЛ. Кроме того, частотные зависимости этого параметра также сходны в обоих случаях. Это позволяет предположить, что основные механизмы действия поля при тушении ФЛ и возбуждении ЭЛ одинаковы. Так как ЭЛ в этих образцах возбуждается ускоренными носителями тока, то и тушение может быть связано с тем же основным процессом. Малая величина b_к отражает тогда пере­ход электронов через меньший энергетический интервал. По мере старения образцов с течением времени ΔВ_фл и В_эл уменьшаются одинаковым образом [43].

Посколь­ку ЭЛ возбуждается в малых областях кристаллов, соот­ветствующих энергетическим барьерам, то и тушение ФЛ происходит, очевидно, преимущественно в тех же областях кристаллов. Исходя из предыдущего и допуская наиболее простую схему внешнего тушения ФЛ, можно принять следующую упрощенную модель явлений [43, 44]. В местах концентрации поля в кристаллах (например, поверхностных барьерах) при малых V возможны переходы валентных электронов на уровни центров свечения, освобожденные светом.

В более общем случае следует учитывать одновременно тепловое и полевое освобождение дырок из центров све­чения и исходить из решения кинетических уравнений, относящихся как к барьерной области кристалла, так и его объему. Получаемое таким путем выражение для ΔВ правильно описывает наблюдающиеся зависимости ΔВ от напряжения, интенсивности освещения и температуры [45]. Если в области низких температур I_ф >> I_т,то кривая ΔВ (Т) также может иметь максимум, так как при неизменном токе повышение Т способно привести к увеличе­нию V_о из-за возрастания концентрации электронов в объеме кристалла вследствие перераспределения потоков рекомбинации через центры излучения и тушения. В об­ласти более высоких Т, когда I_т> I_ф, V_о будет вновь уменьшаться, как и в рассмотренном ранее случае сла­бого освещения.

Следует заметить, что для люминофоров других типов получаются в целом те же по форме характеристики га­шения, что и упоминавшиеся выше. Например, температурная зависимость тушения с максимумом наблюда­лась также для люминофоров типа ZnS:Рb. Частот­ные зависимости ΔВ_фл, имеющие для образцов ЭЛ-510 вид кривых с насыщением у частот порядка нескольких килогерц, характерны как для других образцов ZnS:Cu [46, 47], так и фотолюминофоров ZnS:Pb. В последнем случае максимум ΔВ_фл (f) перемещался к малым f при уменьшении напряжения, как это наблю­дается и для В_эл. Частотная зависимость тушения имеет, по-видимому, то же происхождение, что и при ЭЛ, возбуждаемой прямоугольными импульсами хотя поляризация кристаллов и снижение внутреннего поля происходит здесь вследствие накопления неравновесных носителей, созданных нe полем, а светом.

1.4.5. Изменение электролюминесценции при освещении

Из рисунка 6 следует, что начиная с определенных напряжений, наблюдается рост яркости, т. е. появляются процессы, приводящие к усилению свечения при одно­временном действии света и поля. При этом измеренное ΔВ=ΔВ_фл+ΔВ_эл проходит через нуль и становится положительным. Свойства добавочного свечения имеет смысл, очевидно, рассматривать и сравни­вать со свойствами самой ЭЛ только в том случае, если ΔВ_эл отсчитывается от уровня фотолюминес­ценции при тех же напря­жениях. Для ряда образ­цов, особенно при подоб­ранных условиях возбуж­дения (высокие V), ΔВ_фл мало и практически все добавочное свечение обусловлено изменением ЭЛ (ΔВ≈ΔВ_эл). В других случаях необходимо вводить поправку на гашение ФЛ. Если усиление и ос­лабление свечения наблю­дается в одной спектраль­ной области, то разделить их при больших V невоз­можно, поэтому приходит­ся прибегать к экстрапо­ляции кривых В_ФЛ (V) в область больших напряжений.

Нa рис. 8 приведены зависимости от напряжения как добавочного свечения, так и самой ЭЛ. Введение поправки на тушение сближает наклоны прямых доба­вочного свечения и ЭЛ. То, что Δ₁ подчиняется эмпири­ческому закону, справедливому для ЭЛ, свидетельствует о сходстве механизмов возбуждения полем в обоих слу­чаях. Так как свет, способный вызвать ФЭЛ, увеличи­вает электропроводность люминофора, естественно пред­положить, что добавочное свечение связано с носителями, освобожденными при поглощении света. В этом случае первоначальный ток, входящий в барьеры, равен сумме темнового и фототока (I_о=I_т+I_ф) и яркость В_фэл-В_фл~I₀ (М-1), где М - коэффициент умножения. При слабом освещении, когда I_Ф мал по сравнению с I_т, напряжение V₀ почти не изменяется и ЭЛ, входящая в состав фотоэлектролюминесценции, примерно такова же, как и без освещения. В этом случае наклоны зависи­мостей ln В от V^-0,5 для ΔВ_эли В_эл должны быть оди­наковы (рис. 8). При сильном освещении (I_ф>>I_т) ионизация и свечение соответствуют новым (сниженным) значениям V_o и наклон для ΔВ_эл может отличаться от наклона кривых яркости ЭЛ. В этом случае имеет смысл рассматривать изменение наклона величины Δ₂=В_фэл-В_фл, которая соответствует ЭЛ, связанной как с темновыми, так и фотоносителями. Увеличение интенсивности освещения Ф отвечает тогда росту пара­метра I₁R и должно привести к появлению зависимости наклона кривых Δ₂ от Ф с минимумом. Опытная зависимость наклона от Ф имеет такой же вид [46-48].

Таким образом, изменения тока через кристаллы и падения напряжения в объеме кристаллов I₁R, от кото­рого зависит наклон b₁ зависимости ln В от V^-0,5, могут быть получены различными способами: изменением тем­пературы интенсивности облучения и размера кристаллов d. При этом кривые b₁ (Т), b₁(Ф) и b₁(d) имеют одну и ту же форму [46-48].

Для люминофоров с синим (ЭЛ-460) и желтым (ЭЛ-580) свечением ΔВ_эл также подчиняется эмпирической зависимости от напряжения, характерной для ЭЛ порошков, имеющих обычное распределение зерен по раз­мерам. То же наблюдалось для порошков (Zn,Сd)S:Мn, возбуждаемых рентгеновскими лучами [49] и для моно­кристаллов сульфида цинка, облучаемых γ-радиацией [50]. Можно, следовательно, сделать заключение, что добавочное свечение ΔВ_эл действительно связано с доба­вочной ЭЛ, обусловленной новыми носителями, создан­ными светом или другим способом и попавшими в об­ласти сильного поля в кристаллах. В пользу этого выво­да говорит также сходство зависимостей ΔВ_эл и В_эл от частоты и параллельное изменение обеих величин при старении образцов. Если ФЛ данного образца располагается в одной спектральной области, а ЭЛ - в другoй, то спектр ΔВ_эл близок те спектру именно ЭЛ. Схема процессов, включающая ударную ионизацию в поверхностных барьерах и оказавшаяся ранее пригодной для расчетов отдельных характеристик средней яркости ЭЛ, может быть применена и для вычисления характеристик [43, 48].

Кривые на рис. 9 представляют собой рассчитанные зависимости яркости ЭJI от параметра I₁R (I₁ - ток через кристалл при V₀ = 1 В, когда нет умно­жения, а R - сопротивление толщи кристалла) и отно­сящиеся к случаю I₁ ~(I₁R)². Как уже отмечалось, для кристаллов с малой концентрацией темновых носителей можно принять, что R~Ф^-1/2, (вероят­ность рекомбинации фотоносителей увеличивается с рос­том их концентрации), обратный ток барьеров при осве­щении I₁~Ф, поэтому I₁R~Ф^1/2, а I₁~(I₁R)², т. е. условия, принятые при вычислении кривых на рис. 9, соответствуют условиям, существующим в кристаллах при освещении.

Если при комнатной температуре большенство зерен люминофора характеризуется величиной I₁R = 1 В, то вертикальная линия АС на рис. 9 соответствует состоянию люминофора в темноте. Для верхней кривой (V = 20 В на одном зерне) яркость в темноте отвечает точке D. Дальнейшее увеличение яркости может быть достигнуто освещением, т. е. увеличением I₁R. При этом добавочную яркость ΔВ_эл можно получить отсчетом ее от горизонтальной линии DF. Как следует из рис. 9, величина ΔВ_эл может быть и отрицательной, если осве­щение велико (для верхней кривой переход к отрицательному ΔВ_эл наступает при I₁R > 4 В). Таким же образом можно получить ΔВ_эл и для других напряжений на кристаллах. При данном I₁R, т. е. определенной ин­тенсивности освещения, изменением только V можно получить переход от отрицательного ΔВ_эл к положи­тельному (например, повышая V от 13 до 20 В при I₁R=3 В). Подобные свойства добавочного свечения неоднократно наблюдались на опыте. Так как I₁R~√Ф, то для удобства сравнения с теоретическими зависимостя­ми ΔВ_эл(I₁R) опытные данные приведены в зависимости от √Ф. Толщина слоя люминофора (на­ходившегося в вакууме) составляла примерно 60 мкм, а средний размер зерен - 6 мкм, поэтому напряжению на одном зерне соответ­ствует удесятеренное значение напряжения. Опытные кривые ΔВ (Ф) были получены Патеком для других образцов из наблюдений волн яркости фотоэлектролюми­несценции [51].

Таким образом, основные свойства добавочного свечения в типичных электролюминесцирующих образцах сульфида цинка могут быть поняты на основе той же схемы явлений, которая описывает свойства самой ЭЛ. Возможно, что в других образцах могут осуществляться иные механизмы усиления свечения. В неэлектролюминесцирующих кри­сталлах, например, усиление ФЛ в присутствии поля может быть связано со сдвигом рекомбинационного равновесия в сторону увеличения вероятности излучательных переходов.

Подобная возможность рассматривалась Мейтосси, предполагавшим что помимо заполнения электронами под действием поля свободных центров свечения возмож­ны и другие способы увеличения числа безызлучательных рекомбинаций (например, отвод носителей в область, где вероятность таких переходов велика) или их уменьшения (освобождение полем уровней, с которых происходят переходы без излучения). Даже при отсутствии допол­нительных переходов, связанных с действием поля, периодические изменения концентрации электронов в разных областях кристалла (переменное напряжение) могут изменить соотношение между излучательными и безызлучательными переходами, если они по-разному зависят от концентрации носителей.

Присутствие на поверхности кристалла изгиба энер­гетических зон само по себе может влиять на величину стационарной фотолюминесценции приповерхностного слоя, так как поле изменяет степень заполнения локальных уровней и ту долю рекомбинаций в области объемного заряда, которая происходит с излучением.

Величина и знак изгиба зон (высота барьера) могут изменяться как при адсорбции молекул, обладающих различными свойствами, так и при заряжении конденсатора, одной из пластин которого является люминофор. Последний вариант соответствует условиям наблюдения «эффекта поля». При увеличении постоянного напряжения, приложенного к системе металл-диэлектрик-­полупроводиик, свечение приповерхностного слоя послед­него может вследствие изменения высоты барьера как увеличиваться, так и уменьшаться (люминесцентный эффект поля [52]). Изменения фотолюминесценции при этом особенно велики в том случае, когда неравновесные носители тока или экситоны создаются преимущественно в тонком слое у поверхности кристалла (используется свет из области поглощения основного вещества).

Рекомбинация носителей через поверхностные уровни имеет наибольшую скорость при определенных значе­ниях его, зависящих от коэффициентов захвата электронов и дырок центрами рекомбинации. Если поверхностная рекомбинация сопровождается излуче­нием (как в случае красной полосы сульфида кадмия), то по мере изменения напряжения интенсивность соответствующей спектральной полосы проходит через максимум [52]. В большинстве же случаев рекомбинация у поверхности является безызлучательной и увеличение ее скорости путем специальной обработки поверхности приводит к уменьшению яркости фотолюминесцеиции, как это наблюдалось на образцах арсенида галлия [52].

Похожие работы

Расчет и конструирование газоразрядной индикаторной панели переменного тока

Скачать

26449

2

17

... и возможность работы при низких температурах. Существует много конструкций ГИП переменного тока, одна из них приведена на рисунке (рис. 2.1). В основу ГИП переменного тока положена трехэлектродная структура газоразрядной ячейки. Рис. 2.1 Два так называемых дисплейных электрода (ионизирующий и развертки) - полупрозрачные, они нанесены на поверхность внешнего стекла, ...

Флуометрия в анализе объектов окружающей среды

Скачать

56639

3

6

... . Это дает возможность элементного анализа вещества: определение количества атомов каждого элемента, входящего в состав образца. ГЛАВА 2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФЛУОМЕТРИИ В АНАЛИЗЕ ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Сегодня люминесцентный метод анализа охватывает широкий круг методов определения разнообразных объектов от простых ионов и молекул до высокомолекулярных соединений и биологических объектов. ...

Электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы

Скачать

35272

1

10

... . Развитие способов передачи изображений и измерительной техники сопровождалось дальнейшей разработкой и усовершенствованием различных электровакуумных приборов, радиоламп и электронографических приборов для осциллографов, радиолокации и телевидения. Рентгеновская трубка Электрический ток в вакууме применяют для получения рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи испускаются любым веществом, ...

Трехфазные электрические цепи, электрические машины, измерения электрической энергии, электрического освещения, выпрямления переменного тока

Скачать

60330

12

39

... 4 Содержание отчета Схема включения однофазного счетчика в сеть. Схема включения трехфазного счетчика (п.7). Таблица с результатами измеренных и вычисленных значений. 3. Выводы о результатах поверки счетчика. Контрольные вопросы. 1. Единицы измерения электрической энергии. 2. Основные части счетчика и их назначение. 3. Принцип работы индукционного ...