Отчет ФТТ №4
.docx
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Кафедра «Физические методы и приборы контроля качества»
Отчет по лабораторной работе №4
Физика твердого тела
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДЕФЕКТНЫХ ЦЕНТРОВ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ
Преподаватель,
к.т.н, доцент А.Ф.Зацепин
Студенты
группы Фт-210602 В.С.Кротенко
Д.Б.Баймаганбетов
Н.В.Смирнов
Д.И.Нурисламов Е.В.Алексеева Е.О.Заворницына Л.Е.Иванова
А.А.Меньщикова
И.Н.Тихонова
1 Цель работы
-
Ознакомление с основными представлениями о механизмах и кинетике термолюминесценции.
-
Освоение экспериментальных методов определения энергетических параметров центров захвата в люминесцентных материалах.
2 Экспериментальная установка
2.1 Оборудование, используемое в работе
-
«САПФИР 001» – термолюминесцентная дозиметрическая система;
Параметры:
-
Начальный нагрев: 70˚С
-
Рабочий нагрев: 340˚С
-
Скорость нагрева:
-
Возбуждение образца: β-излучение (30 секунд)
-
Исследуемый образец Al2O3: корунд, 2 образца
Персональный компьютер со специальным ПО.
2.2 Описание установки
Установка состоит из ПЭВМ и прибора САПФИР. Вся работа проводится на компьютере на специальной программе. Прибор САПФИР состоит из фотоэлектронного умножителя ФЭУ-39А и нагревательного элемента, на последнем помещается исследуемый образец.
3 Теоретическая часть
Люминесценция – спонтанное электромагнитное излучение, возникающее в диэлектрических и полупроводниковых материалах при переходах носителей зарядов (электронов или дырок) с уровней большей энергии на уровни с меньшей.
Свечение материалов под действием тепла, или термолюминесценция, обусловлено наличием в нем ничтожных количеств посторонней примеси (активатора) или дефектов кристаллической решетки, создающих в веществе центры захвата и центры свечения.
В возбужденном состоянии все глубокие центры ионизованы, а все оторванные от них электроны захвачены ловушками.
Локализованные на ловушках заряды могут быть освобождены. Один из способов такого освобождения – подогрев тела, при этом электрон из неглубоких центров (ловушек) вылетает, а из глубоких нет. Такая люминесценция называется термостимулированной люминесценцией.
Кинетика ТСЛ:
-
Мономолекулярная. Вероятность рекомбинации свободного носителя много больше вероятности его поверхностного захвата.
-
Бимолекулярная. Вероятность повторного захвата электронов ловушками много больше вероятности рекомбинации.
4 Основные соотношения и методы расчета
4.1 Метод Урбаха (использует спадающую часть пика ТСЛ)
,
где Е – энергия термической активации (энергетическая глубина ловушки), k – постоянная Больцмана (k=8,617·10−5эВ·К−1), Tm – температура (в Кельвинах), соответствующая Jm, Jm – максимум интенсивности пика, Sm – площадь пика со стороны высоких температур, l – показатель кинетики процесса ТСЛ.
,
где Sm – площадь пика со стороны высоких температур, S0 – общая площадь пика ТСЛ, δ0, δm – ширина и полуширина на полувысоте.
,
где p0 – частотный фактор – величина, пропорциональная частоте эффективных соударений (для l=1), способных выбросить электроны из ловушек, μ – скорость нагрева.
4.2 Метод Лущика (использует спадающую часть пика ТСЛ, рассматривает пик в приближении треугольника)
, .
4.3 Определение порядка кинетики
если , то ;
если , то .
5 Экспериментальная часть
5.1 Методика проведения измерений
С каждого пика ТСЛ снимается 9 экспериментальных точек, включая точки на полувысоте пика и точку в максимуме.
Используя данные Таблицы 1, для каждого максимума ТСЛ определяется, площадь под кривой S0, имп/с, и порядок кинетики l.
По данным Таблицы 2 и результатам расчетов (S0, l) вычисляется энергетическая глубина и частотный фактор ловушек методами Урбаха и Лущика.
5.2 Экспериментальные данные
Таблица 1
Тm, К |
Величины |
Экспериментальные точки |
||||||||
435 |
Т, 0С |
120 |
139 |
145 |
151 |
162 |
170 |
173 |
176 |
189 |
J, имп/с |
256 |
4044 |
6966 |
10336 |
13966 |
10500 |
6778 |
3908 |
200 |
|
435 |
Т, 0С |
120 |
136 |
143 |
150 |
162 |
170 |
174 |
177 |
190 |
J, имп/с |
528 |
4062 |
6963 |
10526 |
13853 |
10516 |
6975 |
3963 |
844 |
6 Вычисления
6.1 Первый образец
→
-
Метод Урбаха
-
Метод Лущика
6.2 Второй образец
→
-
Метод Урбаха
-
Метод Лущика
Таблица 2
Tm, K |
Порядок кинетики l |
Энергетическая глубина центра E, эВ |
Частотный фактор p0, с-1 |
||
Метод 1 |
Метод 2 |
Метод 1 |
Метод 2 |
||
435 |
1 |
1,482 |
1,482 |
6,732*1016 |
6,791*1016 |
435 |
1 |
1,359 |
1,359 |
2,320*1015 |
2,307*1015 |
7 Выводы В данной лабораторной работе была проведена термолюминесцентная спектроскопия для изучения дефектов в кристалле Ai2O3. По полученным в ходе эксперимента данным был построен график зависимости интенсивности излучения образца от температуры. Затем определен порядок кинетики, энергетическая глубина центров захвата и частотный фактор. Исследование кривых было проведено двумя методами: метод Урбаха и метод Лущика. Значения экспериментальных величин по порядку совпадают. Однако расхождения обуславливаются порядком точности каждого из методов. Метод Урбаха является более точным, потому что учитывает несимметричность графика J(T), в то время как в методе Лущика пик рассматривается в приближении к треугольнику.
Екатеринбург 2013