CC BY
22
УДК 537.312
ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ФОНОНОВ В ОБЛУЧЕННОМ СИНТЕТИЧЕСКОМ АЛМАЗЕ
Т. И. Галкина, А. И. Шарков, А. Ю. Клоков, И. И. Власов1, В. Г. Ральченко1
Метод тепловых импульсов (исследование распространения неравновесных акустических фононов) предложен в качестве дополнительного метода определения происхождения (ппиподный или синтетический) кристаллов ал-
\ Л. Ж. /Л.
маза.
Проблема дифференциации окрашенного природного алмаза от синтетического занимает многие лаборатории в мире [1]. Дифференциация происходит в основном по измерениям поглощения. Фото- и катодолюминесценция также позволяют с хорошей вероятностью определить происхождение кристалла. Мы полагаем, что метод тепловых импульсов в спорных случаях может дать дополнительную информацию о происхождении кристаллов алмаза, особенно в случае окрашенных алмазов. Мы измеряли распространение акустических фононов через ювелирный синтетический алмаз весьма редкого темно-красного цвета, который был получен электронным облучением с последующим отжигом. Целью данной работы было сравнение особенностей распространения фононов в облученном синтетическом алмазе (красного цвета), синтетическом алмазе (жёлтого цвета, толщина 0.6 мм, ориентация [100]) и природном алмазе типа На (толщина 1.7 мм, ориентация [110]). К тому же, мы полагаем, что сравнение экспериментальных тепловых импульсов с рассчитанными методом Монте-Карло может указать на различие в концентрации примесей и дефектов и тем самым, хотя и косвенно, указать на происхождение кристалла. Измерена была также фотолюминесценция "красного" алмаза в области 500 - 750 нм, позволившая получить дополнительную информацию о природе центров рассеяния.
Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН.
Эксперимент. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) записывались при комнатной температуре на лазерном спектрометре S-3000 (фирмы ISA/Jobin Yvon), предназначенном для регистрации комбинационного рассеяния и фотолюминесценции. Для возбуждения люминесценции использовалось излучение Аг+ лазера на длине волны 488 нм. Люминесценция регистрировалась под углом 180° по отношению к направлению падения возбуждающего излучения.
Исследование распространения неравновесных акустических фононов в алмазе проводилось с помощью методики тепловых импульсов. Схема эксперимента и основные процессы с неравновесными фононами показаны на рис. 1а. Неравновесные акустические фононы генерируются в образце в результате импульсного возбуждения Р азотным лазером ЛГИ-21 (А = 337 нм,тр = 7.5 не). Далее, фононы распространяются по образцу, испытывая процессы спонтанного ангармонического распада (1), упругого рассеяния
локации, границы зерен, плоскости двойникования) дефектах (3). При попадании на границу образца в случае, если она соприкасается с жидким гелием, большая часть фононов выходит из образца (4). Эксперимент проводился при температуре 1.7 К. Фононы, попадающие на сверхпроводниковый болометр, дают отклик, анализируемый в данной работе.
Рис. 1. а) Схема эксперимента и основные процессы с неравновесными фононами. Р - генерация фононов излучением импульсного лазера, Б - тонкопленочный сверхпроводниковый болометр, 1 - спонтанный ангармонический распад фононов, 2 - рассеяние фононов на точечных дефектах, 3 - рассеяние на протяженных дефектах, 4 - выход фононов из образца в жидкий гелий, б) Схематичное изображение кристалла "красного" алмаза с указанием кристаллографических осей.
Луч лазера л [100]
а
Болометр
б
Ювелирный алмаз тёмно-красного цвета представлял собой пирамиду с плоским основанием, кристаллографические направления которой показаны на рис. 16.
Экспериментальные результаты и обсуждение. На рис. 2 показан спектр ФЛ облученного синтетического алмаза. В спектре ФЛ доминируют две бесфононные линии на длине волны 575 и 638 нм, приписываемые соответственно нейтральному и
отрицательно заряженному азот-вакансионным комплексам [2]. Такие спектры
характерны практически для всех облученных и отожженных синтетических алмазов типа 1Ь, содержащих даже небольшие количества примеси азота в форме одиночного замещенного атома [3]. Такие (Акомплексы образуются следующим образом. При электронном облучении в алмазной решетке возникают вакансии и собственные междоузлия. При отжиге облученных алмазов при температурах 800° С и выше вакансии становятся подвижными, образуя оптически-активные комплексы с азотом [4, 5].
500 550 600 650 700 750 Длина волны, нм
Рис. 2. Спектр фотолюминесценции облученного синтетического алмаза.
На рис. З(а-в) кружками показаны отклики болометров на приход неравновесных акустических фононов для трёх исследованных образцов: облученного синтетического алмаза красного цвета (2-)) синтетического алмаза светло-желтого цвета толщиной 0.6 мм ориентации [100] (б) и природного алмаза типа IIa толщиной 1.7 мм ориентации [110] (в). Отклики для синтетического алмаза светло-желтого цвета и природного алмаза типа IIa взяты из работ [6] и [7], соответственно. Следует отметить, что несмотря на то, что полная толщина "красного" алмаза составляла до 4.5 мм, зареги-
стрированный отклик на рис. За начинается при времени ~ 130 не, что соответствует толщине 2.0 мм. Это означает, что распространение фононов идёт по направлению, близкому к [111], показанному на рис. 16 штриховой стрелкой.
Время, не
Рис. 3. Нормированные экспериментальные отклики болометра на приход неравновесных акустических фононов (кружки) и рассчитанные отклики для разных значений константы А3сат{А0 — 2 • Ю-44 с3 - величина константы для рассеяния только на природных изотопах), а) Для образца "красного" алмаза (/), А5сат — ЮА0(1), ЗОА0 (2), 7(Ь40(3). б) Для образца (II), Азсат = 1А0 (1), ЗА0 (2), 5Л0 (3). в) Для образца природного алмаза СI), Азсат = 1А0 (1), 2А0 (2), ЗА0 (3).
Анализ распространения неравновесных фононов проводился путём сравнения экспериментальных откликов с рассчитанными методом Монте-Карло по модели, описанной
в [8]. Основными параметрами, определяющими вид отклика, являются времена свободного пробега относительно процессов упругого рассеяния на точечных дефектах и времена жизни фононов относительно процесса спонтанного ангармонического распада. Эти времена сильно зависят от частоты фононов, соответственно, как tg¿at = Ascat-v4 и t£¡fe = Alife • где v - частота фононов. Величина констант Alife для алмаза бралась из работы [9]. Величина же константы Ase ai зависит от тех точечных дефектов, которые содержатся в конкретном образце. В предположении, что рассеяние происходит только на природных изотопах, константа Ascat, рассчитанная по методике [10], соста вляет Ао = 2 • Ю-44 с3. Наличие других дефектов, таких как атомы примесей, вакансии и комплексы может существенно увеличить величину Ascat, поскольку, как указывалось в [11], сечение рассеяния на одиночном замещающем атоме азота (С-центре) в
'X ~ ni Г» П ТТП ГЧПТТТТЛГГТТОТ* DÍIT/OTT^TJTI D 1 ПЗ тчог» ВТ TTim ТШЛ* ТТО TT'jnTnTTO ( Tí ч nwr ' 1 f 1 TI \
(/и J' 11), U UU W^ílllV/lliOíl IJlilVUíllV.riH 1J lu ^UO 1114 11IV . 11..H LiUl fl 1\! I VyilV- V J . ÜU U^U. U j
сплошными линиями показаны отклики, рассчитанные для условий и в геометрии эксперимента для разных значений Ascat- Видно, что если для природного алмаза типа Па с концентрацией примеси азота Nc ~ 1018 см~3 значение Ascat всего лишь в два раза превышает рассчитанное для рассеяния только на изотопах (рис. 2в), а для синтетического алмаза светло-желтого цвета с содержанием С-центров Nc ~ (5 — 10) • 1018 см~3 и Л-центров (когда два атома азота замещают два атома углерода в соседних позициях) Na ~ (7—20)-1019 см~3 Ascat уже в 3 раза больше, то для "красного" алмаза оно больше в 30 - 40 раз. Это объясняется наличием в "красном" алмазе сложных дефектов типа азот-вакансионных комплексов, что следует из измерений фотолюминесценции. Стоит заметить, что если в случае природного алмаза типа На и синтетического алмаза жёлтого цвета для генерации фононов пришлось использовать заглублённый графити-зированный слой, то в "красном" алмазе поглощение света с длиной волны 337 нм было достаточным для генерации фононов вблизи поверхности.
Таким образом, исследовано распространение неравновесных акустических фононов в синтетическом облучённом алмазе темно-красного цвета ювелирного качества. Проведено сравнение с необлученным синтетическим и природным алмазом типа Па. Показано, что использованная методика может служить дополнительным средством дифференциации алмазов.
Авторы благодарны В. П. Мартовицкому за рентгеноструктурные исследования и А. А. Гиппиусу за интерес к работе. Данная работа поддерживалась Российским фондом фундаментальных исследований, проекты N 05-02-17545 и N 04-02-17060, а также Программой ОФН "Новые материалы и структуры".
ЛИТЕРАТУРА
[1] Alan Т. С о 11 i n s, Diamond and Related Materials, 12, 1976 (2003).
[2] M i t a Y. Phys. Rev., B, 53, 11360 (1996).
[3] V 1 a s о v I. I., R a 1 с h e n к о V. G., К h о m i с h A. V., et al. Phys. Stat. Sol. (a), 181, 83 (2000).
[4] Fish M. L., Massler О., R e i d J. A., et al. Diamond and Related Materials, 8, 1511 (1999).
[5] Shishonok E. M., S h i p i 1 о V. В., P о p e 1 n u к G. P., et al. Materials Letters, 34, 143 (1998).
[6] G a 1 к i n а Т. I., К 1 о к о v A. Yu., К h m е 1 n i t s к i i R. A., et al. Proc. SPIE, 3484, 222 (1998).
[71 G a 1 к i n a T. LSharkov A. I., К 1 о к о v А. Yu., et al. Physica, B, 263 -264, 730 (1999).
[8] Бон ч- Осмоловский M. M., Галкина Т. И., Клоков А. 10. и др. ФТТ, 38(4), 1051 (1996).
[9] Schwartz Н., Ren к К. F., В е г к е А., et al. Proc. 5-th Int. Conf. Phonon Scattering, Cond. Matt., Springer-Verlag, 362 (1986).
[10] T a m u r a S. Phys. Rev., B, 27(2), 858 (1983).
[11] G r a e b n e r J. E., R e i s s M. E., S e i b 1 e s L., et al. Phys. Rev., B, 50(6), 3702 (1994).
Поступила в редакцию 26 декабря 2005 г.
