Trapped-hole centers in MgO single crystals

Abstract

Проанализированы свойства основных дырочных центров в MgO (значения g-фактора, положение полос поглощения и люминесценции, область термического разрушения) с упором на основные закономерности их изменения и соотношение между различными параметрами центров. Особое внимание уделено дырочным центрам [Be] + ВведениеMgO является простейшим представителем класса широкощелевых оксидов (E g = 7.8 eV) и часто рассмат-ривается в качестве модельной системы. При этом MgO имеет разнообразные практические применения -как изоляционный, радиационно-стойкий и даже как люми-несцентный материала УФ-диапазона (5−7 eV).Подобно большинству щелочно-галоидных кристал-лов (ЩГК) оксид магния имеет кубическую гранецен-трированную решетку Браве, где O 2− -анионы формиру-ют плотноупакованную структуру. Анионы и катионы расположены в октаэдрических позициях, ионный радиус равняется 1.26 и 0.86Å для O 2− и Mg 2+ соответственно. Несмотря на схожесть кристаллической решетки, свой-ства электронных возбуждений в MgO и ЩГК различны. Во всех ЩГК при достаточно низких температурах дырки после колебательной релаксации в валентной зоне испытывают автолокализацию, образуя неподвиж-ные V K -центры. Структура V K -центра определена при помощи метода ЭПР -двухгалоидная квазимолекула X − 2 , расположенная вдоль направления 110 и занима-ющая два анионных узла [1,2]. Из-за сильного электрон-фононного взаимодействия при низких температурах в регулярных участках решетки ЩГК происходит и авто-локализация экситонов (см., например, [3,4]). С другой стороны, в спектрах отражения и люминесценции MgO при низких температурах обнаружены лишь проявления экситонов большого радиуса, а также высокоподвиж-ных электронов проводимости (e) и дырок валентной зоны (h). По нашему мнению, это фундаментальное различие в поведении дырок в регулярных участках ЩГК и MgO может влиять также и на процесс захвата дырок на различные примесные центры.Оптические свойства MgO сильно зависят от присут-ствия в кристалле различных дефектов. В номинально чистом MgO, не подвергнутом облучению тяжелыми частицами, преобладают дефекты, возникающие в про-цессе выращивания монокристалла (as-grown defects). В основном это катионные примеси -как двух-(Ca 2+ , Mn 2+ ), так и трехвалентные (Fe 3+ , Cr 3+ , Al 3+ ), а также катионные вакансии (v c ), нейтрализующие избыточный заряд трехвалентных примесей. При облучении кристал-лов MgO ионизирующим излучением (ультрафиолетовая радиация, рентгеновские лучи) образуются свободные дырки, которые затем локализуются рядом с катионны-ми вакансиями (так называемые V -центры). Свободные электроны захватываются преимущественно на катион-ные примеси. В специально легированных кристаллах дырки могут также локализоваться рядом с одно-(Li + , Na + или Be 2+ со-ответственно. Если в состав дырочного центра с катион-ной вакансией (V -центра) входит еще и примесный ион, то последний отмечается как нижний индекс (например, V Al -центр), если же у дырочного центра отсутствует эффективный заряд относительно нейтральной решетки, то верхний индекс может быть опущен. Для MgO та...

On the mechanisms of radiation damage and prospects of their suppression in complex metal oxides

“…Our interest in thoroughly studied fcc MgO single crystals 26–30, built of ions with close masses (Mg)/O = 24/16), is based on our suggestion that this pure material should be free of many radiation effects related to the third mechanism of radiation damage (creation of 3D defects by SHIs) in complex WGMs. However, it is assumed that, in addition to the knockout mechanism typical of irradiation by fast neutrons 31, different impurity ions influence the efficiency of FD creation, in particular, via hot e–h recombination 32.…”

“…Furthermore, neither large‐radius excitons nor e and h undergo self‐trapping with a total loss of their mobility at low temperatures in regular regions of MgO (see Ref. 30, 33 and references therein). However, an effective hole mass near the top of the valence band is larger than that of conduction electrons, and heavy holes participate in the hopping diffusion along a crystal lattice 34.…”

“…For a long time, MgO single crystals doped with different impurity ions (Be 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ , Al 3+ , Li + , Na + , F − , OH − , etc) have been grown for various purposes at the Institute of Physics, Tartu. These crystals have been investigated using different methods including the EPR and measurements of cathodoluminescence spectra through double monochromators in a wide region of 1.6–11 eV at 6–420 K. A doping of MgO with impurity ions, isovalent to cations Be 2+ and Ca 2+ , leads to the appearance of short‐wavelength broad luminescence bands with the maxima at hν > 0.5 E g (such inequality is typical of a mobile electron in the related e–h recombination process) that definitely correspond to the recombination of the electrons relaxed down to the bottom of the conduction band with the holes localized near impurity cations 30, 35. Ca 2+ and Be 2+ ions serve as hole traps forming Coulomb [hCa] + and [hBe] + trapped‐hole centers with large cross‐sections (at least by two orders of magnitude larger than that for the neutral traps) for the recombination not only with the electrons relaxed to the bottom of the conduction band, but with non‐relaxed (hot) e as well.…”

Electronic excitations and defect creation in wide-gap MgO and Lu3Al5O12 crystals irradiated with swift heavy ions

“…In the sample exposed to a plastic stress there is a significant enhancement of the TSL peaks at 350−480 K measured through an optical filter, the transparency region of which (2.8−4.1 eV) covers the emissions of F + centres and oxygen ions nearby v a v c . According to EPR investigations (see, e.g., [13]), these peaks are related to the release of holes from the centres that also contain v c (peak at 420 K) or v c and OH − ions (peak at 360 K). Fig.…”

Influence of complex impurity centres on radiation damage in wide-gap metal oxides

“…Even these isovalent to Mg 2+ impurity ions serve as efficient traps for radiation-induced holes and, therefore, increase the probability of a sequent recombination of hot conduction electrons with trapped-hole centres (hot eh recombination) resulting in the creation of FDs (see [38,39] and references therein). that is needed for the pronounced "luminescent protection", the situation becomes more complicated due to the formation of pair impurity centres (see also Section 5).…”