Искусство
Языки
Языкознание
Вычислительная техника
Информатика
Финансы
Экономика
Биология
Сельское хозяйство
Психология
Ветеринария
Медицина
Юриспруденция
Право
Физика
История
Экология
Промышленность
Энергетика
Этика
Связь
Автоматика
Математика
Электротехника
Философия
Религия
Логика
Химия
Социология
Политология
Геология
Основные и дополнительные
 Скачать 1.2 Mb.
|
|
ЛЕКЦИЯ 10 ОСНОВНЫЕ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ДЕФЕКТЫ В АЛМАЗАХ Из всего добываемого количества алмазов только малая часть является алмазами ювелирного качества. Чем совершеннее его внешняя форма (габитус), чистота кристалла, тем совершеннее его внутренняя (кристаллическая) структура. Подавляющее большинство - 98% всех добываемых алмазов относится к типу I по физической классификации, т.е. являются азотсодержащими. Повышенное содержание азота и микропримесей ухудшает качество алмаза. Поэтому с целью выявления наиболее качественных кристаллов сортируют алмазы по физическим свойствам и морфологии. Также полезно изучить их свечение в ультрафиолетовых лучах, величину аномального двупреломления и гранной морфологии, отбраковывая среди них кристаллы с высоким цветом интерференции, светящиеся в УФ-лучах желтым и оранжевым цветами, а также кристаллы с полицентрически растущими гранями, блоковой скульптурой и округлоступенчатые. Такие кристаллы будут иметь в кристаллической структуре различные примесные дефекты. Алмазы с более совершенной структурой не люминесцируют и не обладает свойством аномального двупреломления, а также более совершенны по внешней форме. Что за примесные дефекты находятся внутри кристаллов алмаза? Итак, из примерно 60 элементов-примесей это - прежде всего азот. Много работ исследователи посвятили изучению примесей азота в структуре алмаза.  Из известных к настоящему времени примесных дефектов в природных алмазах наиболее изученными являются центры люминесценции, т.е. те примесные азотсодержащие дефекты, которые вызывают люминесценцию кристалла алмаза. Их обозначения: системы N3, H3, H4, S1, S2, GR1, Nd1, N9, N10. Кристаллы алмаза имеют свойство под ультрафиолетовыми лучами люминесцировать (светиться), различными цветами. Цвет люминесценции зависит от того, какой примесный дефект располагается в кристаллической решетке данного кристалла алмаза.Рис.1. Сине-голубое свечение кристалла алмаза, центр N3. Исследователями установлено, что в алмазах, люминесцирующих синим цветом, излучение происходит в интервале 4150-5000 Å (415-500 нм) (рис.1). В спектре выделяется головная линия 4150 Å. Кроме нее наблюдается ряд более широких линий, расположенных справа в области длинноволновой части спектра. Они располагаются эквидистантно и разница в их энергии приблизительно равна 0,88 эВ.  Рис.2. Зеленое свечение, центры N3, H3, S1, S2 (слева).  На рисунках 2 и 3 представлены спектры алмазов, люминесцирующих зеленым и оранжевым цветом. Рис.3. Оранжевое свечение, центр 580 нм (справа). В  спектрах эмиссии алмазов, люминесцирующих желтым цветом, головной является линия 5038 Å, сопровождающаяся системой 5119, 5208, 5287, 5367 и 5462 Å.Рис. 4. Желтое свечение, центры S1, S2. Также эти примесные азотные дефекты кристаллической решетки алмаза влияют и на другие свойства, например, на микротвердость, внутрикристаллическое напряжение и т.д. Вообще, микродефекты в кристаллах подразделяются на первичные и вторичные. Первичные микродефекты связаны с условиями кристаллизации, вторичные – приобретаются в процессе становления кимберлитовых трубок. С помощью выявления типов азотных примесей можно изучать генезис алмазов. Эти примесные дефекты могут служить индикаторами первичных или вторичных изменений кристаллизации. В зависимости от формы вхождения, вызываемых эффектов, нахождения в структуре эти примесные азотные дефекты классифицировали как основные и дополнительные (таблица 1). Основные дефекты наиболее часто содержатся в кристаллах алмаза, дополнительные – реже. К основным дефектам относятся дефекты А, В1, С. К дополнительным - N3, B2, H3, H4, S1, S2 , 640 нм, 440 нм и др. Сочетания основных и дополнительных дефектов, содержащих азот, подчиняются определенным закономерностям. В таблице 1 представлены возможные сочетания дефектов для различных типов природного алмаза. В2- и N3-центры встречаются только в сочетаниях с А- и В1-центрами. Таблица 1Основные и дополнительные оптически активные дефекты в алмазах
Рассмотрим структуру и проявление некоторых азотосодержащих дефектов природного алмаза. N3-дефект принадлежит к числу наиболее изученных дефектов, поскольку связанные с ним поглощение и голубая люминесценция доминируют в спектрах многих природных алмазов, в особенности, содержащих В1-дефекты, по отношению к ним N3-центры являются дополнительными. «Визитной карточкой» дефекта N3 является бесфононная линия поглощения 415,2 нм (2,93 эВ). Центр N3 образован тремя замещающими атомами азота, образующими треугольник в плоскости (111) (т.н. «треугольник Митчелла») и вакансией (рис.5).  Рис. 5. Модель N3-центра (N – атом азота, V – вакансия). Приведенные в таблице 1 дополнительные дефекты принадлежат к наиболее распространенным дефектам и также служат признаком принадлежности природных алмазов к тому или иному типу физической классификации. Концентрация каждого из них, как правило, не превышает 1017 см-3, а дефекта Н4 – на порядок меньше. Н3- и Н4-центры весьма похожи друг на друга по электронной структуре и свойствам и возникают при захвате вакансий соответственно А- и В1-дефектами. Первые три полосы, соседствующие в спектрах люминесценции (рис.6) с бесфононной линией 503,2 нм (Н3-дефект) и 495,8 нм (Н4-дефект) относят к квазилокальному колебанию решетки с энергией фотона Е=40 эВ и двум его обертонам. Эта же особенность характерна для спектров N3-центра и приписывается вакансии, входящей в состав дефекта.  Рис.6. Системы Н3 и Н4 в спектрах люминесценции алмаза. Исследователи предполагают, что Н3-центр возникает при захвате двух вакансий с образованием центра VN2V в транс-конфигурации (рис.7). Дефекты Н3 и Н4 возникают в результате облучения и отжига и только в том случае, если в кристалле уже присутствуют соответственно А- и В1-центры.  Рис.7. Модель Н3-дефекта VN2V в транс-конфигурации (N – атом азота, V – вакансия, C – атом углерода). S  1- и S2-дефекты проявляются в фотолюминесценции и не проявляются в поглощении и катодолюминесценции. Дефект S1 парамагнитен и наблюдается в кристаллах типа IaA + Ib. Спектр люминесценции (рис.8) содержит две бесфононные линии 503,4 нм (2,465 эВ) и 510,7 нм (2,429 эВ), соответствующие двум уровням в возбужденном состоянии дефекта.Рис.8. Системы S1 и S2 в спектрах люминесценции (I1, I2 и А, В, С, Е – бесфононные линии). Предполагается, что основному состоянию дефекта отвечает энергетический уровень, расположенный почти посредине запрещенной зоны – на 2,8 эВ ниже дна зоны проводимости. Люминесценция возникает, видимо, после фотовозбуждения электрона с основного уровня в зону проводимости и последующего безызлучательного перехода на возбужденные уровни S1-дефекта. Таким образом, азотосодержащие дефекты определенным образом влияют на оптические свойства алмазов. Литература
|