仇猛淋 王廣甫2) 褚瑩潔 鄭力 胥密 殷鵬

1)(北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100875)

2)(北京市輻射中心,北京 100875)

高低溫條件下氟化鋰材料的離子激發(fā)發(fā)光光譜分析

仇猛淋1)王廣甫1)2)?褚瑩潔1)鄭力1)胥密1)殷鵬1)

1)(北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100875)

2)(北京市輻射中心,北京 100875)

離子激發(fā)發(fā)光,高低溫,氟化鋰

在北京師范大學(xué)GIC4117串列加速器原有離子激發(fā)發(fā)光(ion beam induced luminescence,IBIL)分析靶室基礎(chǔ)上,安裝了可實(shí)現(xiàn)80—900 K溫度范圍內(nèi)精確控溫的冷熱樣品臺(tái),實(shí)現(xiàn)高低溫條件下IBIL光譜的測(cè)量.添加金硅面壘探測(cè)器,在離子輻照材料樣品過(guò)程中同步采集背散射離子的計(jì)數(shù),實(shí)現(xiàn)束流的在線監(jiān)測(cè).在不同溫度下,利用2 MeV H+束轟擊氟化鋰樣品,獲得的IBIL光譜中可明顯觀察到溫度對(duì)不同發(fā)光中心發(fā)光效果的影響:激子峰和雜質(zhì)峰發(fā)光在低溫條件下更為清晰;高溫時(shí)各類(lèi)型F色心的發(fā)光強(qiáng)度在較小的注量下即可達(dá)到飽和值或開(kāi)始衰減.輻照初期受擾激子峰(296 nm)發(fā)光強(qiáng)度的上升過(guò)程表明不能排除受擾激子峰與點(diǎn)缺陷發(fā)光中心相關(guān)的可能性,激子峰強(qiáng)度的上升源自低注量時(shí)核彈性碰撞產(chǎn)生的應(yīng)變鍵;溫度對(duì)空位遷徙速率及非輻射復(fù)合的影響是造成發(fā)光強(qiáng)度隨注量演變差異的重要原因.

1 引 言

離子輻照絕緣體或者半導(dǎo)體材料過(guò)程中,材料中靶原子的外層電子激發(fā)躍遷釋放出光子,這一現(xiàn)象稱(chēng)為離子激發(fā)發(fā)光(ion beam induced luminescence,IBIL)[1],釋放出的光子攜帶了材料中缺陷或者雜質(zhì)的相關(guān)原位信息.由于是在離子輻照的同時(shí)采集發(fā)光光譜,IBIL光譜還可給出材料在輻照過(guò)程中相關(guān)發(fā)光中心隨離子注量的實(shí)時(shí)演變情況,因而在材料輻照損傷[2]、地質(zhì)樣品鑒定[3]及人工合成材料等[4,5]領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.但目前國(guó)際上的IBIL分析多為常溫下的測(cè)量[6,7],而樣品溫度對(duì)輻照產(chǎn)生的空位遷徙、激子的狀態(tài)以及非輻射復(fù)合(電子躍遷過(guò)程中以發(fā)射聲子等其他形式釋放能量,不釋放光子)占比等影響十分明顯,因此溫度因素是IBIL光譜分析中需要考慮的一個(gè)重要因素.

由于在熱釋光劑量測(cè)定[8,9]以及固態(tài)激光器等[10]方面的應(yīng)用,氟化鋰材料在多種輻照條件下形成的各缺陷發(fā)光中心得到了廣泛研究[11?15].紫外波段為激子峰(其中296 nm為受擾激子峰,可能受不穩(wěn)定的雜質(zhì)或缺陷中心影響),400 nm左右為雜質(zhì)峰;540,670,880 nm處譜峰均為F型色心(F型色心指陰離子空位及其聚集體,可俘獲不同數(shù)量的電子從而呈現(xiàn)不同的電性),其中540 nm處肩峰對(duì)應(yīng)的發(fā)光中心為F+3色心,670 nm處的發(fā)光峰對(duì)應(yīng)F2色心,880 nm處譜峰則來(lái)自F?3和F+2色心發(fā)光峰的重疊.但到目前為止,紫外波段激子峰的起源還有待進(jìn)一步確認(rèn),近紅外波段(880 nm處)發(fā)光中心隨離子注量的演變研究也剛剛起步[6],不同溫度條件下各發(fā)光中心隨離子注量的演變情況更鮮見(jiàn)報(bào)道[15].

在此背景下,本文介紹了在北京師范大學(xué)串列加速器實(shí)驗(yàn)室新建高低溫IBIL分析靶室上開(kāi)展的高低溫條件下氟化鋰材料的IBIL光譜測(cè)量及其分析.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

北京師范大學(xué)GIC4117 2×1.7 MV串列加速器原有IBIL分析系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)常溫下的IBIL光譜測(cè)量[16],材料在輻照過(guò)程中產(chǎn)生的光子經(jīng)由光纖通管和光纖進(jìn)入光譜儀(型號(hào)QE-PRO,可探測(cè)波長(zhǎng)范圍為200—1000 nm,最小積分時(shí)間可設(shè)定為8 ms),由計(jì)算機(jī)進(jìn)行光譜采集.在此基礎(chǔ)上,我們進(jìn)行了改造工作.為實(shí)現(xiàn)不同溫度下的IBIL測(cè)量,將原有真空靶室內(nèi)的樣品架改為定制的冷熱樣品臺(tái),冷熱樣品臺(tái)由美國(guó)Instec公司定制,可在80—900 K溫度范圍內(nèi)精確控溫,通常狀況下溫度波動(dòng)范圍為±1 K.

原有IBIL分析系統(tǒng)中,離子束通過(guò)樣品架之間的空位到達(dá)樣品架后方的法拉第筒中進(jìn)行束流測(cè)量.安裝冷熱樣品臺(tái)后,離子束無(wú)法穿透樣品臺(tái)到達(dá)原有法拉第筒.為此,在離子束到達(dá)樣品臺(tái)前的路徑上新建法拉第筒,由靶室上方氣缸控制位置高度,測(cè)量束流時(shí)將法拉第筒放下攔阻離子束,進(jìn)行IBIL光譜測(cè)量時(shí)將法拉第筒收起;在新建法拉第筒前端添加負(fù)壓抑制板,抑制離子束轟擊法拉第筒時(shí)逸出的二次電子,提升束流測(cè)量的準(zhǔn)確度,如圖1所示.

在IBIL分析中,由于發(fā)光強(qiáng)度與束流成正比,束流的波動(dòng)對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的影響十分明顯,并對(duì)輻照注量的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響.但由于IBIL分析的樣品多為絕緣體材料,難以直接進(jìn)行束流積分測(cè)量.考慮到背散射離子產(chǎn)額同樣與束流成正比,在IBIL靶室內(nèi)添加了背散射離子采集系統(tǒng),進(jìn)行IBIL光譜測(cè)量過(guò)程中束流波動(dòng)的監(jiān)測(cè).如圖1所示,在散射角157.5°、距離樣品表面8 cm處安裝了金硅面壘探測(cè)器,測(cè)量時(shí)信號(hào)經(jīng)由前置放大器和主放大器到達(dá)計(jì)算機(jī)多道系統(tǒng).多道分析器選用多度定標(biāo)(multi-channel scaler,MCS)工作模式,設(shè)定與IBIL光譜測(cè)量相同的積分時(shí)間進(jìn)行背散射離子計(jì)數(shù),從而實(shí)現(xiàn)輻照過(guò)程中的束流在線監(jiān)測(cè)以及后續(xù)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中光譜強(qiáng)度及輻照注量的計(jì)算.

圖1 高低溫IBIL裝置簡(jiǎn)圖Fig.1.Schematic of the IBIL experimental setup for high-and low-temperature applications.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)樣品為購(gòu)自MTI合肥公司的純氟化鋰晶體,晶向〈100〉,尺寸為10 mm×10 mm×0.95 mm;選用2 MeV H+,束斑直徑為6.7 mm,積分時(shí)間為0.5 s,束流大小10 nA,每個(gè)樣品的輻照注量約為5.5×1014cm?2.分別選定常溫(290 K),100,200,450,550 K溫度條件進(jìn)行IBIL光譜測(cè)量.圖2所示為常溫時(shí)氟化鋰IBIL光譜隨離子注量的演變情況.

圖2 常溫時(shí)氟化鋰材料的IBIL光譜隨離子注量的演變情況Fig.2.Normalized IBIL spectra of LiF at various fl uences at room temperature.

圖3所示為離子注量為5.5×1014cm?2時(shí),100,200,290,450,550 K溫度條件下氟化鋰材料的IBIL光譜(940 nm處的波谷是由系統(tǒng)誤差造成).可以看出,相比于常溫和高溫條件,紫外波段的激子峰(296和340 nm)和雜質(zhì)峰(400 nm)在低溫時(shí)更為明顯.色心(540 nm)和F2色心(670 nm)的峰強(qiáng)度在高溫時(shí)十分接近,而在常溫和低溫下F2色心(670 nm)的峰強(qiáng)度則明顯高于色心(540 nm)的峰強(qiáng)度.在近紅外波段,和色心重疊的發(fā)光峰(880 nm)則是在常溫下峰強(qiáng)度較高,且高于F2色心(670 nm)的峰強(qiáng)度;而在低溫或者高溫時(shí),近紅外波段的峰強(qiáng)度均低于F2色心(670 nm)的峰強(qiáng)度,且高溫下強(qiáng)度更低.不同溫度條件下光譜中各發(fā)光中心的相對(duì)強(qiáng)度差異將結(jié)合發(fā)光峰強(qiáng)度隨注量的演變情況(圖4、圖5)進(jìn)行分析.

圖3 離子注量為5.5×1014cm?2時(shí)100,200,290,450,550 K溫度條件下氟化鋰材料的IBIL光譜Fig.3.Normalized IBIL spectra of LiF at 100,200,290,450,550 K under ion fl uence of 5.5×1014cm?2.

與其他發(fā)光測(cè)量方法(光致發(fā)光、陰極發(fā)光等)相比,IBIL方法的優(yōu)勢(shì)之一在于可以顯示各發(fā)光峰強(qiáng)度隨離子注量的實(shí)時(shí)演變情況[7].圖4和圖5分別給出不同溫度下各發(fā)光峰強(qiáng)度隨離子注量的演變情況.

如圖4所示,296 nm處受擾激子峰的強(qiáng)度在100 K時(shí)經(jīng)過(guò)一個(gè)緩慢上升過(guò)程后隨著注量保持穩(wěn)定;而在200,290,450 K時(shí),在經(jīng)過(guò)非常短暫的上升后隨著注量增加逐漸衰減至穩(wěn)定狀態(tài);在550 K時(shí)則是經(jīng)歷一個(gè)上升階段后緩慢下降.目前296 nm激子峰的來(lái)源還不確定,Skuratov等[12]利用快重離子和Valotto等[6]利用2 MeV H+的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示296 nm處的激子峰強(qiáng)度隨注量的增加呈單一下降趨勢(shì),因此認(rèn)為激子的復(fù)合可能位于晶格位置或者靠近雜質(zhì)離子位置,而不是點(diǎn)缺陷.此外,在實(shí)驗(yàn)室利用20 keV H?輻照氟化鋰的IBIL光譜研究中,也沒(méi)有觀測(cè)到激子峰的上升過(guò)程[14].但在本研究中296 nm峰強(qiáng)度在輻照初期(1012cm?2量級(jí))均有一個(gè)短暫的上升過(guò)程,這可能是因?yàn)镾kuratov等[12]的實(shí)驗(yàn)使用的快重離子具有較高的電離能量密度,輻照初期短暫的上升過(guò)程可能會(huì)被隨后的衰減過(guò)程覆蓋;而Valotto等[6]雖然使用的是與本文相同的2 MeV H+,但其束流較大,離子注量率達(dá)到1.4×1013cm?2·s?1,比本文高出2—3個(gè)數(shù)量級(jí),因此輻照初期的上升過(guò)程可能同樣未能捕捉到;利用20 keV H?輻照氟化鋰的IBIL光譜研究中,由于采用的束流較大(束流1μA,注量率為1.3×1013cm?2·s?1),因而同樣未能捕捉到1012cm?2注量附近可能的上升過(guò)程.由于觀察到296 nm受擾激子峰強(qiáng)度在輻照初期的上升過(guò)程,基于其單一下降趨勢(shì)作出的激子復(fù)合與點(diǎn)缺陷無(wú)關(guān)的判斷可能存在問(wèn)題.也就是說(shuō),不能排除296 nm激子峰與不穩(wěn)定的點(diǎn)缺陷中心相關(guān)的可能性.

圖4 不同溫度下296,340,400 nm發(fā)光峰強(qiáng)度隨離子注量的演變情況 (a)550 K;(b)450 K;(c)290 K;(d)200 K;(e)100 KFig.4.Evolutions of the luminescence peak intensities at 296,340,400 nm with the irradiation fl uence at different temperatures:(a)550 K;(b)450 K;(c)290 K;(d)200 K;(e)100 K.

圖5 不同溫度下540,670,880 nm發(fā)光峰強(qiáng)度隨離子注量的演變情況 (a)100 K;(b)200 K;(c)290 K;(d)450 K;(e)550 KFig.5.Evolutions of the luminescence peak intensities at 540,670,880 nm with the irradiation fl uence at different temperatures:(a)100 K;(b)200 K;(c)290 K;(d)450 K;(e)550 K.

340 nm處的激子峰則為典型的自陷激子峰,在100和200 K時(shí)其強(qiáng)度均上升至最高值后保持穩(wěn)定,其中100 K時(shí)的上升過(guò)程較200 K時(shí)稍慢;290和450 K時(shí),輻照初期峰強(qiáng)度經(jīng)歷一個(gè)短暫上升過(guò)程后迅速下降,450 K時(shí)的衰減速率明顯更快;550 K時(shí)激子峰強(qiáng)度則是隨離子注量的增加上升至穩(wěn)定強(qiáng)度.

296和340 nm處激子峰強(qiáng)度在輻照初期的上升過(guò)程源自低注量時(shí)核彈性碰撞造成的應(yīng)變鍵數(shù)量的增加,應(yīng)變鍵的存在使得激子的復(fù)合概率增加,在IBIL光譜中表現(xiàn)為初期激子峰強(qiáng)度的上升[7].隨著注量的增加,點(diǎn)缺陷的數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)并開(kāi)始擴(kuò)散和聚集,引起的晶格結(jié)構(gòu)損傷改變了激子的遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度,減小了激子被俘獲的概率,影響復(fù)合發(fā)光中心的數(shù)量,造成激子峰強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[7,17].Jimenez-Rey等[18]將注量在1012cm?2量級(jí)時(shí)出現(xiàn)的發(fā)光強(qiáng)度由上升轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆档目赡茉驓w結(jié)于離子輻照引起的壓實(shí)效應(yīng)(compaction e ff ect,也叫作densi fi cation e ff ect),在1012cm?2注量附近(變化注量和本文類(lèi)似)開(kāi)始出現(xiàn)獨(dú)立離子徑跡的重合,晶體結(jié)構(gòu)損傷改變了激子的壽命并使離子鍵的平均應(yīng)力減小,激子被俘獲的概率降低,使得發(fā)光強(qiáng)度呈指數(shù)減弱.但通過(guò)SRIM模擬計(jì)算可知,本文實(shí)驗(yàn)使用的2 MeV H+的電子能損(0.033 keV/nm)并未達(dá)到氟化鋰的離子徑跡形成閾值(4 keV/nm)[19],因而實(shí)驗(yàn)中激子峰的下降過(guò)程是離子束輻照引起的注入層溫度升高進(jìn)而造成的激子分解、非輻射復(fù)合機(jī)理(溫度較高時(shí)能量通過(guò)熱振動(dòng)的形式傳遞給周?chē)h(huán)境而不發(fā)射光子,非輻射復(fù)合比例的增加使得發(fā)光強(qiáng)度降低,在低溫下非輻射復(fù)合影響較小)的競(jìng)爭(zhēng)以及晶格損傷造成的激子被俘獲概率降低等綜合因素造成的.因此圖3和圖4中100,200,290,450 K時(shí)激子峰的相對(duì)強(qiáng)度隨溫度升高而降低,且在低溫時(shí)需要更高注量才能開(kāi)始下降是可以理解的.550 K時(shí)的演變情況并不相同,但從圖3可以看出550 K時(shí)激子峰已經(jīng)十分微弱,可能此時(shí)的激子峰發(fā)光中心在高溫下由于激子受熱分解、非輻射復(fù)合和晶格恢復(fù)等多種湮沒(méi)和復(fù)原機(jī)理的綜合作用已經(jīng)達(dá)到一個(gè)十分微弱的平衡狀態(tài).

400 nm處的峰為雜質(zhì)峰,現(xiàn)有的研究結(jié)果表明這可能與氧或鎂雜質(zhì)有關(guān).隨著離子注量的增加,在低溫(100和200 K)時(shí)峰強(qiáng)度上升到最大值后保持穩(wěn)定;在常溫290 K和高溫450 K時(shí),在經(jīng)歷輻照初期的短暫上升過(guò)程后峰強(qiáng)度逐漸下降,450 K時(shí)的衰減速率明顯快于290 K時(shí).550 K時(shí)雜質(zhì)峰已經(jīng)十分微弱,隨著注量增加,峰強(qiáng)度上升至一很小的強(qiáng)度后緩慢下降.400 nm處的雜質(zhì)峰強(qiáng)度在常溫和高溫條件下隨注量增加而發(fā)生的下降可能源自離子轟擊引起的溫度上升以及高溫條件時(shí)非輻射復(fù)合比例的增加.

在輻照初期,隨著離子注量的增加,新的空位不斷形成并逐漸遷移、聚集.通過(guò)Va+F2→(Va代表陰離子空位),+F→,+e→F3,+2e→等反應(yīng)形成各類(lèi)型F色心(,F2,和等),因此發(fā)光強(qiáng)度隨著注量的增加而增大;隨著離子束的持續(xù)轟擊,更高階的缺陷聚集體(Fn心、位錯(cuò)等)開(kāi)始形成,點(diǎn)缺陷對(duì)應(yīng)的發(fā)光中心逐漸減少,使得對(duì)應(yīng)的發(fā)光中心數(shù)量達(dá)到平衡或者減少,從而表現(xiàn)出IBIL光譜中不同峰位的相對(duì)強(qiáng)度差異以及發(fā)光強(qiáng)度隨離子注量增長(zhǎng)出現(xiàn)的飽和以及衰弱.此外,由于是正離子輻照,入射的正離子和材料表面逸出的二次電子會(huì)發(fā)生電荷積累現(xiàn)象,隨著注量的增加,持續(xù)增多的正電荷積累產(chǎn)生的表面電場(chǎng)會(huì)影響后續(xù)入射離子的能量和方向,并可能使按照恒定束流計(jì)算的注量存在偏大的現(xiàn)象,因此在之前的工作中利用H?輻照來(lái)避免這一問(wèn)題[14].常溫時(shí),對(duì)比Valotto等[6]利用H+輻照氟化鋰的IBIL光譜研究,利用H?輻照時(shí)F型色心在較低注量處達(dá)到飽和強(qiáng)度[14],而本研究中常溫時(shí)F型色心達(dá)到飽和強(qiáng)度的注量與利用H?輻照時(shí)較為接近,這是由于利用實(shí)際入射離子產(chǎn)生的背散射離子計(jì)數(shù)對(duì)注量進(jìn)行計(jì)算,較Valotto等[6]研究中的注量計(jì)算更為準(zhǔn)確.

低溫條件下空位遷徙速率大大減小,降低了點(diǎn)缺陷的聚集或缺陷間的轉(zhuǎn)化速率,這是溫度影響各F型色心的發(fā)光強(qiáng)度隨注量演變情況的重要原因;同時(shí)低溫下熱振動(dòng)的減弱使得非輻射復(fù)合的比例大大降低.高溫條件下溫度的升高使空位遷徙速率上升,點(diǎn)缺陷的聚集和缺陷間的轉(zhuǎn)化明顯加快,更容易形成更高階的F型色心,同時(shí)部分色心在特定溫度下也存在相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象(如500 K附近F3色心向F4色心轉(zhuǎn)換);但溫度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生退火效應(yīng),造成點(diǎn)缺陷的復(fù)原,非輻射復(fù)合比例也會(huì)增加,從而導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度的減小[11,14,15].因此,相比于低溫條件,高溫條件下的發(fā)光強(qiáng)度在較低注量時(shí)便達(dá)到飽和或開(kāi)始衰減.這也可以解釋為什么圖3中色心(540 nm)低溫時(shí)發(fā)光強(qiáng)度明顯小于F2色心(670 nm),而高溫時(shí)色心 (540 nm)和F2色心(670 nm)的發(fā)光強(qiáng)度已經(jīng)大致相當(dāng);此外,高階Fn心會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的自吸收效應(yīng),降低色心的熒光強(qiáng)度[6,11],高溫時(shí)Fn心的分解也可能是造成色心(540 nm)相對(duì)強(qiáng)度增加的原因.由于880 nm處是和色心的重疊發(fā)光峰,不同溫度下發(fā)光強(qiáng)度的差異可能由于低溫下色心和高溫下色心對(duì)應(yīng)發(fā)光中心減少.

4 結(jié) 論

本文介紹了可在高低溫情況下實(shí)現(xiàn)IBIL測(cè)量的裝置的改造工作.高低溫IBIL分析系統(tǒng)可以靈敏探測(cè)不同溫度條件下離子輻照引起的各類(lèi)型缺陷的發(fā)光及其隨離子注量的實(shí)時(shí)演變情況.

不同溫度條件下氟化鋰材料的IBIL光譜結(jié)果表明:不能排除296 nm處受擾激子峰與點(diǎn)缺陷發(fā)光中心相關(guān)的可能性,激子峰的上升過(guò)程源自低注量時(shí)核彈性碰撞產(chǎn)生的應(yīng)變鍵;激子峰和雜質(zhì)峰發(fā)光在低溫條件下更為清晰;高溫時(shí),各類(lèi)型F色心發(fā)光強(qiáng)度在較小的注量下就能達(dá)到飽和值或開(kāi)始衰減.各類(lèi)型F色心隨離子注量增長(zhǎng)的形成或湮沒(méi)、溫度對(duì)空位遷徙率和非輻射復(fù)合占比的影響、正電荷積累效應(yīng)和自吸收效應(yīng)等相關(guān)物理機(jī)理是造成不同溫度下各類(lèi)型發(fā)光中心相對(duì)強(qiáng)度及其隨注量演變行為差異的原因.

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[11]Russakova A,Sorokin M V,Schwartz K,Dauletbekovaa A,Akilbekova A,Baizhumanova M,Zdorovetsd M,Koloberdina M 2013Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res.B313 21

[12]Skuratov V A,Gun K J,Stano J,Zagorski D L 2006Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res.B245 194

[13]Shiran N,Belsky A,Gektin A,Gridin S,Boiaryntseva I 2013Radiat.Meas.56 23

[14]Qiu M L,Chu Y J,Wang G F,Xu M,Zheng L 2017Chin.Phys.Lett.34 016104

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[16]Qiu M L,Chu Y J,Xu M,Wang G F 2016J.Nucl.Radiochem.38 57(in Chinese)[仇猛淋,褚瑩潔,胥密,王廣甫2016核化學(xué)與放射化學(xué)38 57]

[17]Ginhoven R M V,Jónsson H,Corrales L R 2006J.Non-Cryst.Solids352 2589

[18]Jimenez-Rey D, Pe?a-Rodríguez O, Manzano-Santamaría J,Olivares J,Mu?oz-Martin A,Rivera A,Agulló-López F 2012Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res.B286 282

[19]Itoh N,Du ff y D M,Khakshouri S,Stoneham A M 2009J.Phys.Condens.Mat.21 474205

Ion beam induced luminescence spectra of lithium fluoride at high-and low-temperature

Qiu Meng-Lin1)Wang Guang-Fu1)2)?Chu Ying-Jie1)Zheng Li1)Xu Mi1)Yin Peng1)

1)(College of Nuclear Science and Technology,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)
2)(Beijing Radiation Center,Beijing 100875,China)

21 April 2017;revised manuscript

2 July 2017)

A new ion beam induced luminescence(IBIL)measuring setup,equipped with a custom-made heating/cooling sample stage(the attainable temperature ranges from 80 K to 900 K),has been established on the GIC4117 tandem accelerator in Beijing Normal University.As the yield of back scattering ions is proportional to the beam fl ux,an Au-Si surface barrier detector is employed to count the back scattering ions synchronously with collecting the IBIL spectra under the multi-channel scaler(MCS)mode of the multichannel analyzer,making it possible to online monitor the beam current.Then,the yield of back scattering ions is used to correct the intensity of the IBIL spectrum and calculate the ion fl uence,for eliminating the in fl uence of the beam current fl uctuation.

IBIL spectra of pure lithium fl uoride(LiF)at different temperatures(100,200,290,450,550 K)under the 2 MeV H+irradiation are acquired and the signi fi cant in fl uence of temperature on luminescence centers is observed.The emission bands relating to exciton recombination(296 and 340 nm)and impurities(400 nm)are more prominent at low temperatures and present quite lower intensities at high temperatures.Moreover,these luminescent intensities decay with ion fl uence increase obviously at high temperatures after initially increasing in the early period of irradiation.The initial increase of the disturbed exciton peak at 296 nm can be attributed to the strained bonds produced by nuclear elastic scattering at a low fl uence,which was not observed in previous IBIL measurements under high ionization energy density or high ion beam fl ux.This observed increase indicates that the emission feature may also originate from the emitting centers relating to point defects,not just from exciton transition near lattice or impurities.The luminescent intensities of F2color centers(peaked at 670 nm)are dominant at all temperatures,while the luminescent intensities ofcolor centers(peaked at 540 nm)are not obvious at low temperatures and the luminescent intensities of/color centers(peaked at 880 nm)are weak at high temperatures.The luminescent intensities of these F-type centers reach saturated values at lower fl uences at high temperatures.The different evolution behaviors under different temperatures can be due to the in fl uence of temperature on the vacancy migration rate and the non-radiative recombination.In addition,the surface charge accumulation may lead to the luminescent intensities of color centers reaching saturated values at higher fl uences,compared with the previous IBIL measurements of LiF.The self-absorption e ff ect would reduce the intensities ofcolor centers because of the absorption of F-type centers at low temperatures,while the e ff ect is weak at high temperatures due to the degradation of F-type centers.

ion beam induced luminescence,high-and low-temperature,lithium fl uoride

(2017年4月21日收到;2017年7月2日收到修改稿)

10.7498/aps.66.207801

?通信作者.E-mail:88088@bnu.edu.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:78.60.Hk,61.80.Jh,61.72.J–DOI:10.7498/aps.66.207801

?Corresponding author.E-mail:88088@bnu.edu.cn