ИОФ РАН
Влияние случайных примесей на спектрально-люминесцентные свойства кристалла ZnWO4
Пресс-релиз публикации: Subbotin K., Titov, A., Solomatina V., Khomyakov A., Pakina E., Yakovlev V., Valiev, D., Zykova M., Kuleshova K., Didenko Y., Lis D., Grishechkin M., Batygov S., Kuznetsov S., Avetissov I. Influence of Accidental Impurities on the Spectroscopic and Luminescent Properties of ZnWO4 Crystal.- Materials 2023, 16, 2611. DOI: 10.3390/ma16072611
ZnWO4 – давно известный сцинтилляционный кристалл. Последнее время наблюдается значительный интерес к этому кристаллу как к эффективному ВКР-преобразователю и как к лазерной матрице. Важнейшей проблемой ZnWO4 является гиперчувствительность его свойств даже к следовым количествам случайной примеси железа, которая, в частности, дает заметное паразитное оптическое поглощение кристалла и падение его сцинтилляционных характеристик. Поэтому для выращивания качественных кристаллов ZnWO4 требуются реактивы с квалификацией чистоты лучше «5N», которые на данный момент коммерчески недоступны.
В рамках представляемой работы разработаны новые, достаточно простые, надежные и масштабируемые методики глубокой очистки реактивов ZnO и WO3. Блок-схемы методик представлены на Рис. 1. Из полученных реактивов выращен монокристалл ZnWO4. Проведены сравнительные спектрально-люминесцентные исследования этого кристалла и кристалла-эталона ZnWO4, выращенного в тех же условиях, но с использованием коммерческих реактивов ZnO и WO3 квалификации «5N».
В частности, получены спектры люминесценции и кинетики затухания люминесценции обоих кристаллов при разных видах возбуждения (УФ- и рентгеновское излучение, пучок электронов). Показано, что в рамках каждого конкретного вида возбуждения механизм люминесценции обоих кристаллов одинаков. Однако он различен для различных видов возбуждения. Разложение полос люминесценции ZnWO4 на элементарные гауссианы показало, что эти полосы состоят, как минимум, из двух компонент.
Также получены спектры оптического поглощения и спектры возбуждения люминесценции кристаллов (включая разностные спектры). Показано, что полосы оптического поглощения железа привносят лишь незначительные потери на перепоглощение излучения люминесценции кристаллов. При этом примесь железа изменяет механизмы доставки энергии возбужденного состояния от центров поглощения возбуждающего света к центрам люминесценции. Кроме того, показано, что сами данные механизмы даже при УФ-возбуждении сложнее, чем обычная внутрицентровая излучательная релаксация. Вместе с тем, заметного переноса энергии возбуждения от центров люминесценции на ионы железа с последующей безызлучательной релаксацией на этих ионах даже в кристалле-эталоне не происходит.
Полученные результаты ставят немало новых вопросов, для ответов на которые предстоит провести дальнейшие исследования данного весьма непростого и достаточно востребованного кристалла.
Вклад авторов из ИОФ РАН: К.А. Субботин – общее руководство, рост кристаллов, анализ результатов, написание статьи; А.И. Титов – рост и ориентация кристаллов; К.В. Кулешова – участие в разработке методики очистки реактивов, обзор литературы; Я.С. Диденко – измерение спектров фотолюминесценции; Д.А. Лис – рост и оптическая обработка кристаллов; С.В. Кузнецов и С.Х. Батыгов – измерение спектров рентгенолюминесценции.
Пресс-релиз подготовил: заведующий отделом лазерных кристаллов и твердотельных лазеров НЦЛМТ ИОФ РАН, кандидат технических наук К.А. Субботин.
Рис. 1. Блок-схемы разработанных методик глубокой очистки реактивов оксида вольфрама (слева) и оксида цинка (справа). (Источник: Subbotin K., Titov, A., Solomatina V., Khomyakov A., Pakina E., Yakovlev V., Valiev, D., Zykova M., Kuleshova K., Didenko Y., Lis D., Grishechkin M., Batygov S., Kuznetsov S., Avetissov I. Influence of Accidental Impurities on the Spectroscopic and Luminescent Properties of ZnWO4 Crystal.- Materials 2023, 16, 2611. DOI: 10.3390/ma16072611