Анотація до роботи:

Огурцов О.М. Електронні збудження в кріокристалах: локалізація та елементарні непружні процеси. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, Харків, 2003.

Подано результати експериментальних і теоретичних досліджень з проблеми формування, релаксації та розпаду електронних збуджень, що супроводжуються перетворенням енергії електронної підсистеми в структурні порушення кристалічної ґратки, в кріокристалах інертних елементів та адсорбованих на металічних монокристалічних підкладках тонких молекулярних плівок. Досліджені процеси автолокалізації екситонів та дірок, локалізації електронів у пастках, непружнього розсіяння фотоелектронів в зоні провідності, та підпорогові процеси утворення точкових дефектів та десорбції збуджених атомів, ексимерів, іонів та молекулярних фрагментів у системах Ne, Ar, Kr, Xe, Xe/Kr, Ar/Ne, Xe/Ar, (Xe+Ar)/Ne, CO, CO/Ar, N₂, H₂O, NH₃. Дослідження було проведено методами катодолюмінесцентної спектроскопії, фотолюмінесцентної спектроскопії з розділенням у часі, лазерно-індукованої флюоресценції, фотоелектронної спектроскопії, масс-спектроскопії, термолюмінесцентної спектроскопії. Показано, що локалізація електронних збуджень у кріокристалах стимулює утворення дефектів в об’ємі кристалічної ґратки та десорбцію атомів та молекул з поверхні кріокристалів.

У дисертації узагальнені нові експериментальні результати досліджень, спрямованих на рішення наукової проблеми визначення фізичних механізмів перетворення енергії електронної підсистеми твердого тіла в структурні порушення кристалічної ґратки внаслідок локалізації електронних збуджень у кріокристалах. Для одержання нової інформації про ці процеси і зв'язаних з ними явищ використовувався комплексний експериментальний підхід на основі методів катодолюмінесцентної спектроскопії, фотолюмінесцентної спектроскопії з розділенням у часі, лазерно-індукованої флюоресценції, фотоелектронної спектроскопії, мас-спектроскопії і термолюмінесцентної спектроскопії.

Достовірність отриманих результатів забезпечувалася застосуванням добре апробованих у фізиці твердого тіла експериментальних методів, обробкою даних експерименту за допомогою відомих теоретичних підходів, коректним обліком помилок вимірів, співвіднесенням отриманих даних з результатами робіт, виконаних іншими авторами. Теоретичний аналіз даних був проведений у рамках сучасних концепцій фізики твердого тіла та спектроскопії електронних збуджень.

Узагальнення всієї сукупності отриманих результатів дозволяє говорити про розвиток нового напрямку в радіаційній фізиці діелектриків — спектроскопії підпорогових елементарних непружних процесів у кріокристалах.

Сформулюємо загальні положення, що випливають з узагальнення проміжних висновків і мають принципове значення.

1. Формування, релаксація і локалізація електронних збуджень в атомарних кріокристалах:

1. Методами нестаціонарної катодолюмінесценції, селективного фотозбудження люмінесценції синхротронним пучком та термоактиваційної люмінесцентної спектроскопії доведена локалізація електронів та дірок в атомарних кристалах і експериментально показано, що атомарні кріокристали належать до класу энергоакумулюючих речовин.

2. Експериментально встановлено, що дірки в кріокристалах інертних елементів автолокалізуються в стани квазімолекулярних двоатомних іонів.

3. Встановлено природу ультрафіолетових молекулярних смуг люмінесценції (смуг Н). Показано, що вони формуються переходами в автолокалізованій дірці.

4. Розроблено новий експериментальний метод нестаціонарної катодолюмінесценції в умовах керованого термостимульованого вивільнення електронів з пасток для дослідження власних іонних центрів в атомарних кріокристалах. Сутність методу полягає в реєстрації сигналу катодолюмінесценції як функції температури кристалу в температурному діапазоні, у якому можлива термоактивація захоплених на пастках електронів.

5. Виявлена термолюмінесценція кріокристалів аргону. На основі комп'ютерного моделювання термостимульованої електрон-діркової рекомбінації визначені енергії активації та частотні фактори електронних пасток.

6. Виявлена термолюмінесценція СО у матриці аргону. Визначено енергії активації і частотні фактори електронних пасток системи CO/Ar.

7. На прикладі системи CO/Ar уперше показано, що в атомарних кріокристалах відбувається непружнє розсіювання фотоелектронів трьох типів. 1) Фотоелектрони з великою довжиною вільного пробігу непружньо розсіюються на домішкових молекулах. 2) Фотоелектрони з довжиною вільного пробігу, порівнянною з сталою ґратки, утворюють електрон-поляронні комплекси. 3) Фотоелектрони з енергією більше енергії розмноження електронних збуджень можуть створити власний іонний центр внаслідок утворення вторинної електрон-діркової пари в ході розсіювання.

8. Експериментально показано, що, на додаток до екситонного каналу, молекулярні локалізовані стани в чистих атомарних кріокристалах заселяються внаслідок електрон-діркової рекомбінації як в об'ємі зразка, так і на його поверхні.

9. Вперше експериментально встановлено, що в атомарних кріокристалах існують екситонні пастки двох типів: (1) ті, що стимулюють локалізацію екситонів та (2) ті, що перехоплюють електронне збудження з екситонного каналу релаксації. Показано, що конкуренція між цими центрами захоплення екситонів визначає основні особливості розгалуження релаксації екситонів між каналами термалізації вільних екситонів та релаксації по коливальним підрівням квазімолекулярних локальних центрів.

10. Експериментально встановлено, що в кріокристалах аргону, криптону та ксенону локалізація екситонів призводить до формування локальних квазіексимерних центрів двох типів: (1) автолокалізованих у регулярній ґратці та (2) локалізованих на дефектах ґратки. Визначено енергетичні пороги фотозбудження та спектроскопічні параметри квазіексимерних смуг, що формуються при випромінювальному розпаді цих центрів.

11. Виявлено фотопоглинання квазіексимерними центрами в кріокристалах ксенону та криптону в енергетичному діапазоні нижче дна зони вільних екситонів.

2. Утворення дефектів і десорбція, стимульовані релаксацією електронних збуджень у кріокристалах:

1. Експериментально показано, що формування пари Френкеля, стимульоване квазімолекулярною автолокалізацією екситонів, має електронно-термоактіваційну природу і відбувається шляхом зсуву квазіексимерного локального центру в напрямку <110> і переорієнтацією його уздовж напрямку <100>.

2. Експериментально встановлено, що селективне фотозбудження екситонів у чистому неоні призводить до утворення точкових дефектів внаслідок непружньої деформації ґратки електронною хмарою квазіатомного автолокалізованого екситону.

3. Експериментально показано, що в кріокристалах аргону та неону збудження рідбергівських станів домішкового атому стимулює утворення пар Френкеля внаслідок деформації ґратки електронною хмарою збудженого квазіатомного центру. Цей механізм дефектоутворення реалізується як внаслідок селективного фотозбудження домішки ксенону в матриці аргону, так і при збудженні екситонами матриці домішки аргону в ґратці неону.

4. Виявлено екситонно-стимульовані реакції за участю дефектів: анігіляція й агрегатизація дефектів у кріокристалах інертних елементів.

5. Експериментально показано, що квазіатомна автолокалізація гарячих екситонів на поверхні зразку стимулює десорбцію збуджених атомів з поверхні твердого аргону.

6. Встановлено, що десорбція ексимерів з поверхні твердого аргону стимулюється рекомбінацією електрона з діркою, що автолокалізована на поверхні кристалу.

7. Для молекулярної плівки азоту, адсорбованої на металевій підкладці рутенію, експериментально виявлена селективність процесів розриву внутрішньомолекулярного зв'язку або зв'язку метал-молекула у випадку десорбції, стимульованої створенням дірки в К-оболонці азоту (перехід N1s2pp*). Збудження атому, що розташований ближче до підкладки, стимулює десорбцію нейтрального атому азоту, а збудження атому, що розташований далі від металевої підкладки, стимулює десорбцію нейтральної молекули азоту.

8. Дослідження виходу десорбції нейтральних фрагментів молекул води й аміаку, адсорбованих на монокристалічній підкладці рутенію показали, що на відміну від випадку вільних молекул H₂O і NH₃, у системі метал–адсорбат не реалізується механізм надшвидкої дисоціації молекул.

Публікації автора:

1. Савченко Е.В., Фуголь И.Я., Григоращенко О.Н., Губин С.А., Огурцов А.Н. Низкотемпературная десорбция твердого аргона, стимулированная горячими экситонами // ФНТ. – 1993. – Т. 19, № 5. – С. 586-590.

2. Fugol I.Ya., Savchenko E.V., Ogurtsov A.N., Grigorashchenko O.N. Electronically induced changes in structural properties of solid Kr // Physica B. – 1993. – V. 190, № 4. – P. 347-351.

3. Savchenko E.V., Ogurtsov A.N., Grigorashchenko O.N., Gubin S.A. Electronically induced defect formation in Xe-doped solid Kr // Chem. Phys. – 1994. – V. 189, № 2. – P. 415-426.

4. Grigorashchenko O.N., Gubin S.A. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V. Third molecular continuum in VUV radiation of solid Ar // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. – 1996. – V. 79, № 1. – P. 107-110.

5. Огурцов А.Н., Савченко Е.В., Григоращенко О.Н., Губин С.А., Фуголь И.Я. Термолюминесценция твердого аргона: кинетический анализ кривой термовысвечивания // ФНТ. – 1996. – Т. 22, № 10. – С. 1205-1209.

6. Savchenko E.V., Ogurtsov A.N., Gubin S.A., Grigorashchenko O.N. Luminescence study of defect formation induced by electronic transitions in rare gas solids // J. Luminesc. – 1997. – V. 72-74, № 1. – P. 711-713.

7. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Becker J., Runne M., Zimmerer G. Photon excitation of the third molecular continuum in solid krypton // ФНТ. – 1997. – Т. 23, № 10. – С. 1131-1133.

8. Grigorashchenko O.N., Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Becker J., Runne M., Zimmerer G. Electron-hole recombination induced desorption of excimers from solid Ar // Surf. Sci. – 1997. – V. 390, № 1-3. – P. 277-281.

9. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Becker J., Runne M., Zimmerer G. Photoelectron scattering in CO doped solid Ar // Chem. Phys. Lett. – 1997. – V. 281, № 4-6. – P. 281-284.

10. Becker J., Grigorashchenko O.N., Ogurtsov A.N., Runne M., Savchenko E.V., Zimmerer G. Thermoluminescence from CO-doped solid Ar // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1998.- V. 31, № 6. – P. 749-753.

11. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Becker J., Runne M., Zimmerer G. Radiative relaxation of optically generated intrinsic charged centers in solid Ar // J. Luminesc. – 1998. – V. 76&77, № 1. – P. 478-481.

12. Savchenko E.V., Ogurtsov A.N., Grigorashchenko O.N. Lattice rearrangement induced by excitons in cryocrystals // Phys. Solid State. – 1998. – V. 40, № 5. – С. 831-833.

13. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Kirm M., Steeg B., Zimmerer G. VUV-radiation induced creation of intrinsic neutral and charged trapped centers in rare gas crystals // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. – 1999. – V. 101-103, № 1. – P. 479-483.

14. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Gminder E., Kisand V., Zimmerer G. Excitonically induced defect annihilation in solid krypton // Phys. Stat. Sol. (b). – 1999. – V. 215, № 2. – P. R1-R2.

15. Romberg R., Heckmair N., Frigo S. P., Ogurtsov A., Menzel D., Feulner P. Atom-selective bond breaking in a chemisorbed homonuclear molecule induced by core excitation: N₂/Ru(001) // Phys. Rev. Lett. – 2000. – V. 84, № 2. – P. 374-377.

16. Ogurtsov A.N., Ratner A.M., Savchenko E.V., Kisand V., Vielhauer S. Branched relaxation of electronic excitations in rare-gas crystals with traps of different types // J. Phys.: Condens. Matter. – 2000. – V. 12, № 12. – P. 2769-2781.

17. Romberg R., Frigo S.P., Ogurtsov A., Feulner P., Menzel D. Photon stimulated desorption of neutral hydrogen atoms from condensed water and ammonia by resonant O1s and N1s excitation: search for the signature of ultrafast bond breaking // Surf. Sci. – 2000. – V. 451, № 1-3. – P. 116-123.

18. Savchenko E.V., Ogurtsov A.N., Grigorashchenko O.N., Beyer M., Lorenz M., Lammers A., and Bondybey V.E. Radiation-induced formation of stable charge centers in rare-gas solids // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. – 2000. – V. 166-167, № 1. – P. 47-50.

19. Ogurtsov A. N., Savchenko E. V. Molecular Trapped Centers in Atomic Cryocrystals // J. Low Temp. Phys. – 2001. – V.122, № 3/4. – P. 233-240.

20. Savchenko E.V., Grigorashchenko O.N. Ogurtsov A.N., Rudenkov V.V., Lorenz M., Frankowsky M., Smith-Gicklhorn A.M. Bondybey V.E. Thermally stimulated exoelectron emission from rare gas solids in weak external electric fields // J. Luminesc. – 2001. – V.94-95, № 1-4. – P. 475-481.

21. Savchenko E.V., Grigorashchenko O.N. Ogurtsov A.N., Rudenkov V.V., Gumenchuk G.B., Lorenz M., Smith-Gicklhorn A.M., Frankowsky M., Bondybey V.E., Photo- and thermally assisted emission of electrons from rare gas solids // Surf. Sci. – 2002. – V.507-510, № 1-4. – P. 754-761.

22. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Gminder E., Vielhauer S., Zimmerer G. Photon yield from solid krypton and xenon at the edge of exciton absorption // Surf. Rev. Lett. – 2002. – V. 9, № 1. – P. 45-49.

23. Ogurtsov A., Runne M., Karl A., Becker J., Zimmerer G. Photon excitation of broad emission band at 6.2 eV in solid Ar // HASYLAB Annual Report 1995 Part II / Ed. by J.R. Schneider. – Hamburg: DESY. – 1996. – V. 2. – P. 75-76.

24. Becker J., Ogurtsov A.N., Runne M., Savchenko E.V., Zimmerer G. Exciton induced defect formation in solid Ar // HASYLAB Annual Report 1996 Part I / Ed. by J. Feldhaus, W. Laasch, J.R. Schneider. – Hamburg: DESY. – 1997. – P. 251-252.

25. Feulner P., Romberg R., Frigo S., Ogurtsov A., Menzel D. Core excitation-induced desorption of neutral particles from chemisorbed and condensed layers on metal surfaces // HASYLAB Annual Report 1997 Part I / Ed. by T. Mцller, W. Laasch, J.R. Schneider. – Hamburg: DESY. – 1998. – P. 945-946.

26. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Kirm M., Steeg B., Zimmerer G. Luminescence of intrinsic neutral and charged molecular centers in solid Ar // HASYLAB Annual Report 1998 Part I / Ed. by W. Laasch, G. Materlik, J.R. Schneider, H. Schulte-Schrepping. – Hamburg: DESY. – 1999. – P. 365-366.

27. Ogurtsov A.N., Gminder E., Kirm M., Kisand V., Steeg B., Vielhauer S., Zimmerer G. Defect formation induced by Rydberg state excitation of Xe impurity in solid Ar Part I // HASYLAB Annual Report 1999 / Ed. by G. Materlik, J.R. Schneider, H. Schulte-Schrepping, H. Franz. – Hamburg: DESY. – 2000. – P. 249-250.

28. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Gminder E., Vielhauer S., Zimmerer G. Investigations of excited triatomic molecular complexes in solid Xe // HASYLAB Annual Report 2000, Part I / Ed. by W. Dix, T. Kracht, U. Krell, G. Materlik, J.R. Schneider. – Hamburg: DESY.– 2001. – P. 273-274.

29. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Vielhauer S., Zimmerer G. Luminescence from excited diatomic and triatomic molecular complexes in solid Xe // HASYLAB Annual Report 2001, Part I / Ed. by R. Gehrke, U. Krell, J.R. Schneider. – Hamburg: DESY. – 2002. – P.277-278.

30. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Grigorashchenko O.N., Gubin S.A., Runne M., Karl A., Becker J., Zimmerer G. Intrinsic and extrinsic exciton trapping in solid Ar, Kr, Xe // Proceedings of the 2^nd International Conf. on Excitonic Processes in Condensed Matter. – Dresden: Dresden University Press, 1996. – P. 195-198.

31. Feulner P., Romberg R., Frigo S.P., Weimar R., Gsell M., Ogurtsov A., Menzel D. Recent progress in the investigation of core hole-induced photon stimulated desorption from adsorbates: excitation site-dependent bond breaking, and charge rearrangement // Abstr. of the 8^th International Conf. on Desorption Induced by Electronic Transitions. – New Jersey (USA). – 1999. – P. 15.

32. Savchenko E.V., Grigorashchenko O.N. Ogurtsov A.N., Rudenkov V.V., Gumenchuk G.B., Lorenz M., Smith-Gicklhorn A.M., Frankowsky M., Bondybey V.E. Thermally assisted emission of electrons and VUV photons from irradiated rare gas solids // Prog. and Abstr. of the 13^th International Conf. on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics. – Trieste (Italy). – 2001. – P. 34.

33. Ogurtsov A.N., Savchenko E.V., Intrinsic and extrinsic mechanisms of point defect formation by Rydberg electronic excitations in rare gas solids // Prog. and Abstr. of the Europhys. Conf. on Defects in Insulating Materials. – Wroclaw (Poland). – 2002. – P. Tu-P38.