|
Механолюминесценция цинк-сульфидных кристаллофосфоров Владимирский государственный университет Научный руководитель: Татмышевский Константин Вадимович, к.т.н. Люминесценция как физическое явление обусловлена способностью светящихся веществ (люминофоров) трансформировать тот или иной вид энергии в видимый свет или, реже, в ультрафиолетовое или инфракрасное излучение. Среди традиционных областей использования, на фоне бурного развития оптоволоконной и лазерной техники, явление люминесценции находит все новые применения при создании оптических преобразователей светогенерационного типа, которые напрямую интегрируются в оптические информационно-измерительные системы. Одним из перспективных, в данном отношении, видов люминесценции является люминесценция с механическим возбуждением или механолюминесценция [1].В обширном классе веществ, обладающих способностью к люминесценции вообще и к механолюминесценции (МЛ) в частности, особое место занимают вещества, объединенные под общим названием “кристаллофосфоры” (КФ). По своим свойствам КФ относятся к твердым растворам класса А 2В6 с широкой запрещенной зоной и являются диэлектриками с высоким удельным сопротивлением. В то время как люминесценция разреженных газов и паров металлов есть свойство атомов вещества, а люминесценция многих жидких и твердых тел - свойство определенных молекул, люминесценция КФ не является свойством, присущим данному химическому соединению. Люминесценция КФ возникает благодаря присутствию малого количества примесей других веществ, называемых активаторами. Основное вещество, за некоторыми исключениями, люминесцентными свойствами не обладает.Одной из групп КФ являются цинк-сульфидные соединения, обладающие наибольшей яркостью свечения. Именно по этой причине на ZnS-фосфорах проводится подавляющее большинство исследований МЛ. Для придания чистому сульфиду цинка люминесцентных свойств в него вводятся различные примеси (активаторы), определяющие спектр излучения, время после свечения и способность к люминесценции. Акт излучения происходит в субмикроскопических образованиях, связанных с атомами активатора и называемых центрами свечения (ЦС). Исследования, проведенные в Институте физики твердого тела АН СССР, показали [2], что МЛ в соединениях А 2В6 является следствием процессов движения и размножения дислокаций, сопровождающих пластическую деформацию кристаллов. Экспериментально обнаружено, что дислокации в полупроводниках А2В6, и в частности ZnS, обладают сильным электрическим зарядом [3]. В процессе пластической деформации происходит взаимодействие ЦС с электрическим полем движущихся заряженных дислокаций, которое приводит к возбуждению (ионизации) ЦС с их последующими излучательными переходами. Сильный заряд дислокаций обусловлен большой долей ионной составляющей в силах связи атомов основания ZnS.Исследования явления МЛ в цинк-сульфидах проводились на промышленном люминофоре ЭЛС580С (материал – ZnS:Mn), обладающего преимущественно внутрицентровой люминесценцией. Так как механизм МЛ-преобразования зависит от нескольких параметров внешнего механического воздействия, а также свойств самого люминофора и чувствительного элемента изготовленного на его основе, возникла необходимость создания математической модели внутрицентровой механолюминесценции с учетом параметров чувствительного элемента. В основу модели положено явление туннелирования электронов примесных ЦС люминофоров в электрическом поле движущихся дислокаций, возникающее при деформации кристалла. Задача расчета кинетики пластического деформирования для случая квазистатического одноосного нагружения решена на основе микроскопической модели изотропной упругопластической среды с упрочнением, согласно которой пластическая деформация рассматривается как результат движения и размножения дислокаций. Математическая модель представляет собой систему интегро-дифференциальных уравнений, основой которой является уравнение светового потока люминесценции Ф(t) :
где h – энергия кванта света; t l – время жизни возбужденного состояния; ts - время возбуждения центров свечения внешним механическим нагружением; N – общее количество ЦС; r – радиус взаимодействия дислокаций с ЦС; – функция средней плотности
подвижных дислокаций;   –функция средней скорости движения дислокаций.
Свечение кристаллофосфора сопровождается двумя независимыми процессами,
во-первых, образованием возбужденных ЦС, во-вторых, рекомбинацией возбужденных
ЦС.
Для полученной математической модели не существует аналитического решения, поэтому была разработана программа в среде Turbo Pascal, позволяющая моделировать световой поток Ф(t) в зависимости от параметров механического воздействия. Результаты вычислений промежуточных подзадач выводятся на экран в виде графиков и основных параметров, что позволяет обеспечить интерактивный режим расчета МЛ-преобразователя. Одним из достоинств разработанной модели является то, что световой поток рассчитывается в абсолютных единицах измерения энергетической светимости. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований явления механолюминесценции в цинк-сульфидах на основе порошковых промышленных люминофоров, а также описаны методы расчета характеристик преобразователей. Список публикаций :
|
, (1)| (c) АСФ России, 2001 |