Люминесцентные методы исследования электронных и дырочных ловушек в твёрдом теле

Кинетика фосфоресценции зависит от большого числа параметров и, кроме того, она не линейна. Кинетическими параметрами кристаллофосфора являются вероятности ионизации центров свечения и высвобождения локализованных зарядов, эффективные сечения рекомбинации и захвата свободных зарядов. Концентрационные параметры — это концентрации разделённых зарядов, концентрации центров свечения и захвата, к внутренним параметрам центра рекомбинации относятся длительность возбуждённого состояния, вероятность внутреннего тушения и т. д.

Существует несколько методов исследования ловушечных центров, которые условно можно разделить на оптические и электрические. К оптическим можно отнести люминесцентные методы: метод термического высвечивания, термического обесцвечивания, оптической вспышки и метод оптического поглощения. К электрическим методам можно отнести измерение фотопроводимости, температурной зависимости электропроводности, методы электропоглощения и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Метод термического высвечивания является одним из самых эффективных методов исследования кинетики фосфоресценции. Преимущество этого метода состоит в его большой чувствительности, наглядности полученных результатов и относительной простоте эксперимента. При снятии кривых термовысвечивания (КТВ) фосфор возбуждается при низкой температуре, при которой электроны не освобождаются с исследуемых ловушек. Затем фосфор нагревается с постоянной скоростью. При этом ловушки начинают опустошаться и рекомбинировать с центрами свечения. Если имеются ловушки только одной глубины, то интенсивность термолюминесценции (I) начинает увеличиваться с ростом температуры (Т), проходит через максимум при Tm и затем снова падает до нуля, когда ловушки опустошаются. При наличии в фосфоре группы ловушек разной глубины число наблюдаемых максимумов равно числу групп. Постепенное нарастание и падение яркости свечения при нагревании есть следствие двух конкурирующих процессов — быстрого роста вероятности высвобождения локализованных электронов с ростом температуры и быстрого в связи с этим опустошения ловушек.

Кинетика термолюминесценции кристаллофосфора также рассматривает два крайних случая. Первый случай, когда вероятность повторной локализации электрона (д1) много меньше вероятности рекомбинации свободных электронов с ионизованными центрами люминесценции:

(2.11).

Где в — коэффициент рекомбинации свободных электронов с ионизованными центрами люминесценции, n — число ионизованных центров люминесценции, равное числу локализованных электронов.

Это случай мономолекулярной люминесценции, где:

(2.12).

Тогда:

(2.13).

При бимолекулярной люминесценции, когда:

(2.14).

Интенсивность люминесценции:

(2.15).

Тогда:

(2.16).

В обоих случаях — или — линейно зависят от. Здесьинтенсивность термолюминесценции при данной температуре, а величина — невысвеченная световая сумма или количество ионизованных центров свечения. Она определяется величиной площади под кривой термовысвечивания.

Это один из методов определения глубины ловушки методом термовысвечивания. По наклону прямой можно определить, а отсюда и е.

Для определения глубины ловушки Урбахом были выведены формулы через некоторые геометрические параметры исследуемых кривых.

В линейном случае:

(2.17).

В квадратичном случае:

(2.18).

Здесь Im — интенсивность в максимуме пика термовысвечивания, Тm — температура в максимуме пика термовысвечивания, Lm — оставшаяся светосумма, равная площади под кривой термовысвечивания справа от Тm.

Кривые термовысвечивания снимаются при небольших скоростях нагрева 0,01 К/с с целью равномерного прогрева люминофорного слоя. Этот метод применим только для электронных ловушек. Его нельзя использовать при наличии сильного внутреннего или внешнего тушения, а также для набора ловушек, которые мало различаются по глубине.