Дипломная работа: Исследование влияния частоты переменного электрического поля на яркость люминесценции различных люминофоров

На рис 5(a) показан суммарный эффект, который может наблюдаться в том случае, когда приложенное поле постоянно.

Относительная четкость различных деталей может довольно сильно изменяться от образца к образцу. В случае переменного, поля на кривую яркости света накладывается пульсация, которая, как правило, имеет сложную форму. При достаточно больших напря­женностях поля частота этой пульсации вдвое больше частоты поля. Пунктирная кривая соответствует слу­чаю, когда эффект Дэшена отсутствует. Обычно в тот момент, когда выключается внешнее поле, происходит небольшое усиление, но в некоторых случаях его нельзя заметить. Этот частный вид релаксации может быть очень быстрым, как наблюдалось, например, для одного из фосфоров, изучавшихся Штейнбергером, Лоу и Але­ксандером [32].

Детали этих эффектов сложным образом связаны как с напряженностью и характером поля, так и с ин­тервалом времени между моментом его включения и началом оптического возбуждения.

На рис. 5(б) пока­зано, например, как в течение затухания фотолюминес­ценции уменьшается величина световых импульсов в эффекте Гуддена - Поля. Перед началом основного спада наблюдается интересное и трудно объяснимое увеличение яркости, которое может служить, одним из примеров сильно усложненных и взаимосвязанных свойств этого явления. В магнитном поле соответствующие эффекты не наблюдались [33].

Как известно, процессы затухания в возбужденных фосфоресцирующих материалах могут быть ускорены инфракрасным излучением. При этом суммарное коли­чество излучаемой световой энергии остается постоян­ным независимо от того, ускоряется ли процесс затуха­ния или происходит спонтанно. Рассматриваемые же эффекты принципиально отличаются от подобного уско­ренного оптическим путем затухания, поскольку при наличии электрического поля величина интеграла по времени от выходящей световой энергии может суще­ственно измениться. Например, при эффекте Гуддена - Поля полное количество света, излучаемого в течение затухания, может увеличиться.

Во время освещения вещества электроны возбуж­даются за счет поглощения фотонов; когда оптическое возбуждение прекращается, в возбужденных состояниях будет находиться ограниченное число электронов. Поэтому действие внешнего поля, которое увеличивает полное количество излучаемого света, должно сказы­ваться в одном из двух направлений (или в обоих сразу) либо увеличивать относительную вероятность излучатель­ной рекомбинации (по сравнению с безызлучательной), либо приводить к дополнительному возбуждению элек­тронов. Последняя возможность представляется более правдоподобной. Однако Матосси [34] пересмотрел эти вопросы и в противопо­ложность последнему предположению связал эффект гашения с ростом вероятности безызлучательных переходов. Влияние поля можно изучать не только по нормаль­ной фосфоресценции, но также и по инфракрасному из­лучению, обусловленному предварительным освещением фосфора ультрафиолетовым светом. В принципе подоб­ные эксперименты позволяют получить сведения о роли процессов захвата, которые обусловливают задержку момента излучательной рекомбинации относительно мо­мента возбуждения носителя заряда. Однако результаты оказываются слишком слож­ными и пока не получили надежного теоретического истолкования [35].

1.4.2. Новые эксперименты по эффектам, вызванным электрическим полем

Описанные выше эффекты элек­трофотолюминесценции были предметом многочисленных исследований, и хотя объяснение их во многом остается еще сомнительным, основные эксперименталь­ные результаты представляют для нас интерес. На рис. 5(a) пунктирная линия соответствует случаю, когда после первоначального всплеска наблюдается остаточное увеличение яркости. Дестрио с сотрудниками [36] установили, что это происходит в некоторых ZnS-CdS- и ZnS-фосфорах, возбуждаемых рентгеновскими лучами и находящихся в переменном поле. Для экспериментальных целей эти порошкообразные фосфоры приготовлялись в виде суспензии в прозрачном диэлектрике. В случае постоянного поля эффект был только временным вследствие высокой проводимости фосфора. В некоторых случаях коэффициент усиления яркости достигал трех. При этом обычная форма дэшеновского гашения наблюдалась в том случае, когда электрические поля прикладывались к образцам во время облучения последних не рентгеновскими лучами, а ультрафиолетовым светом. Таким образом, эффекты, обусловленные наличием поля, оказываются чувствительными к способу оптического возбуждения.

На рис. 5(в) в показаны типичные результаты для зависимости эффектов усиления и гашения (после первоначального всплеска) от напряженности поля. О существовании максимума, за которым следует спад, сооб­щил также Штейнбергер с сотрудниками [32]. Когда внешнее поле прикладывалось в отсутствие возбуждающего облучения, никакой люминесценции не наблюдалось.  Поэтому эффект усиления внешне (но не принципиаль­но) отличается от явления фотоэлектролюминесценции. Гобрехт и Гумлих описали интересный фосфор, содержащий марганец, в котором под действием электрического поля происходило усиление желтой и одновременное ослабление голубой полос фотолюминесценции [37].

Сложная природа явлений этой группы иллюстри­руется еще тем фактом, что влияние электрического возбуждения может сказываться в течение долгого вре­мени (например, нескольких часов) и что оно может обнаруживаться по действию вторичного оптического возбуждения. Насколько известно, систематические эксперименты по изучению электрофотолюминес­ценции монокристаллических образцов сульфида цинка еще не проводились, хотя относительно сульфида кадмия получены некоторые данные [38]. Подобные экспери­менты совершенно необходимы, чтобы составить полное представление об этих явлениях. Их можно было бы строго объяснить, если бы более полно были изучены явления электрической люминесценции, которые проис­ходят без оптического возбуждения. Дальнейшие ссылки на работы по электрофотолюмнесценции можно найти в обширной библиографии, составленной Айви [39].

1.4.3. Свечение при одновременном действии поля и света

При освещении люминофоров и одновременном воздействии на них электрического поля, яркость свечения обычно не равна сумме яркостей, получающихся при раздельном действии света или поля.

Иногда свечение называют фотоэлектролюминесценцией, если наблюдается влияние освещения на ЭЛ, и электрофотолюминесценцией, если слабое электрическое поле только изменяет яркость фотолюминесценции (ФЛ). В общем случае, однако, оба явления присутствуют одновременно, при одних и тех же напряжениях, поэтому в дальнейшем эти явления нами обозначаются одним термином «фотоэлектролюминесценция» (ФЭЛ). Явления, смежные с ЭЛ, интересны не только сами по себе, но и с точки зрения расширения сведений об условиях действия поля в кристаллах, так как они проявляются как при больших напряжениях, при которых уже наблюдается ЭЛ, так и при малых напряжениях, недостаточных для возбуждения ЭЛ.

Помимо света из области собственного или примесного поглощения, вторым возбуждающим агентом могут служить также α-, γ-, рентгеновские или катодные лучи.

Если Вфэл -яркость свечения при одновременном действии поля и света, а Вфл и Вэл - яркость при возбуждении люминофора только светом и только полем, то добавочное свечение при двойном воз­буждении удобно характеризовать следующей величиной:

ΔB = Вфэл - (Вфл + Bэл).

В общем случае ΔВ может быть как положительным, так и отрицательным, т. е. может наблюдаться ослабле­ние свечения или его усиление (рис. 6). При малых полях, при которых еще нет заметной ЭЛ наблюдается только тушение фотолюлминесценции, а при более высо­ких - преобладает усиление свечения, хотя тушение присутствует и при этих напряжениях. Таким образом, при достаточно больших полях общее изменение яркости ΔВ может состоять из двух частей, одна из которых связана с изменением ФЛ в электрическом поле, а другая - с изменением ЭЛ при освещении:

 ΔВ=ΔВфл+ΔВэл

При малых напряжениях V, второе слагаемое отсутствует, и благодаря тушению, ΔВ отрицательно. При более высоких V преобладает ΔВэл, которое в зависимости от типа образца и условий опытов может быть как положительным, так и отрицательным. В результате суммарное ΔВ также может иметь различные знаки. Все это приводит в общем случае к большомy разнообразию и запутанности наблюдающихся явлений.

Свойства ФЭЛ изучались как на электро-, так и фото­люминофорах различного состава и вида (порошки, моно­кристаллы, пленки)[40-42]. В частности, кривые Вфэл (V), сходные по форме с приведенными на рис. 6, были получены для пленок ZnS:Mn [43].

 При включении или выключении поля наблюдаются различного рода переходные явления. Так, если люмино­фор в обычной ячейке возбуждается ультрафиолетовым светом, то включение небольшого переменного напря­жения приводит сначала к вспышке (эффект Гуддена и Поля), затем к временному значительному тушению и, далее, к постепенному уменьшению тушения до стационарного уровня. Выключение напряжения вновь может сопровождаться вспышкой с последующим отно­сительно  медленным восстановлением первоначальной яр­кости ФЛ.

В дальнейшем рассматриваются основные свойства установившегося свечения при двойном возбуждении люминофоров переменным полем и ультрафиолетовым светом (365 нм), причем имеется в виду средняя по вре­мени яркость свечения. Данные о тушении и усилении свечения относятся к одним и тем же порошкообразным электролюминофорам, что позволяет сопоставить свойства трех явлений, связанных с действием поля и облегчает рассмотрение вопроса о происхождении этих явлений.

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 Вфэл 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 Вфэл на рис. 6 ΔВфл составляет обычно несколько процентов от величины Вфл.

Зависимость абсолютной величины тушения ΔВфл 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 ΔВфл и Вэл подчиняются одной и той же эмпирической зависимости:

В~ехр (-bкV-1/2)

 хотя величина bк 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 bк отражает тогда пере­ход электронов через меньший энергетический интервал. По мере старения образцов с течением времени ΔВфл и Вэл 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 Iф >> Iт, то кривая  ΔВ (Т) также может иметь максимум, так как при неизменном токе повышение Т способно привести к увеличе­нию Vо из-за возрастания концентрации электронов в объеме кристалла вследствие перераспределения потоков рекомбинации через центры излучения и тушения. В об­ласти более высоких Т, когда Iт> Iф, Vо 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 ΔВфл, 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 ΔВфл (f) перемещался к малым f при уменьшении напряжения, как это наблю­дается и для Вэл. 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=ΔВфл+ΔВэл проходит через нуль и становится положительным. Свойства добавочного свечения имеет смысл, очевидно, рассматривать и сравни­вать со свойствами самой ЭЛ только в том случае, если ΔВэл отсчитывается от уровня фотолюминес­ценции при тех же напря­жениях. Для ряда образ­цов, особенно при подоб­ранных условиях возбуж­дения (высокие V), ΔВфл мало и практически все добавочное свечение обусловлено изменением ЭЛ (ΔВ≈ΔВэл).   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 ВФЛ (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 (Iо=Iт+Iф) и яркость Вфэл-Вфл~I0 (М-1), где М - коэффициент умножения. При слабом освещении, когда IФ мал по сравнению с Iт, 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 ΔВэл и Вэл должны быть оди­наковы (рис. 8). При сильном освещении (Iф>>Iт) ионизация и свечение соответствуют новым (сниженным) значениям Vo и наклон для ΔВэл может отличаться от наклона кривых яркости ЭЛ. В этом случае имеет смысл рассматривать изменение наклона величины Δ2=Вфэл-Вфл, 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 ΔВэл  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 ΔВэл 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 ΔВэл и Вэл 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 ΔВэл 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].

Страницы: 1, 2, 3, 4