ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛЮМО-МАГНИЕВОЙ ШПИНЕЛИ ОБЛУЧЕННОЙ БЫСТРЫМИ ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ

Авторы

  • Меруерт Маматова Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева
  • Никита Кирилкин Объединенный институт ядерных исследований
  • Абдираш Акилбеков Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева
  • Алма Даулетбекова Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева
  • Асыл-Дастан Базарбек Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева

DOI:

https://doi.org/10.52167/1609-1817-2023-126-3-451-461

Ключевые слова:

фотолюминесценция, быстрые тяжелые ионы, шпинель MgAl2O4, ионные треки, радиационные дефекты

Аннотация

В работе исследовалась влияние облучения быстрыми тяжелыми ионами на фотолюминесценцию (ФЛ) кристаллов MgAl2O4 шпинели. Шпинель облучалась ионами 710 МэВ Bi до флюенса (1010–1013) см-2. ФЛ измерялась в стандартной и конфокальной геометрии, то есть с поверхности, а также вдоль ионного пути. При возбуждении светом λex=445нм наблюдалась ФЛ (450–750) нм или (1.6–2.76) эВ. С увеличением флюенса наблюдалось увеличение интенсивности свечения и сдвиг максимума в красную область спектра. Установлено, что полоса ФЛ является сложной и включает в себя свечение примесных ионов: Cr3+ и Mn2+ с максимумами 1.8 эВ и 2.25 эВ. ФЛ, измеренная вдоль ионного пути для образца облученного до флюенс 1012 ион/см2 показала резкий всплеск в конце ионного пути, что обусловлено локальной разупорядоченностью структуры вследствие формирования ионного трека.  Наблюдаемая ФЛ крайне чувствительна к структурным нарушениям, и можно предположить, что она связана со свечением агрегатных электронных центров окраски, как например Fe22+ в Al2O3 c максимумом 2.2 эВ , которые обычно формируются при высоких флюенсах при перекрывании треков. Всплеск люминесценции 1.9 эВ в конце ионного пути может быть связана с созданием вакансий.

Биографии авторов

Меруерт Маматова, Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева

докторант,  Астана, Казахстан, mira2604@mail.ru

Никита Кирилкин, Объединенный институт ядерных исследований

магистр, младший научный сотрудник, Дубна, Россия, kirilkin@jinr.ru

Абдираш Акилбеков, Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева

д.ф.-м.н., профессор, Астана, Казахстан, akilbekov_at@enu.kz

Алма Даулетбекова, Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева

к.ф.-м.н., профессор, Астана, Казахстан, alma_dauletbek@mail.ru

Асыл-Дастан Базарбек, Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева

PhD, старший преподователь, Астана, Қазақстан, asyl.bazarbek.92@mail.ru

Библиографические ссылки

[1] Wiss T., Matzke H. Heavy ion induced damage in MgAl2O4, an inert matrix candidate for the transmutation of minor actinides // Radiat. Meas. 1999. Vol. 31, № 1. P. 507–514.

[2] Pan L. et al. Magnesium aluminate spinel for optically stimulated luminescence dosimetry // J. Alloys Compd. Elsevier, 2021. Vol. 880. P. 160503.

[3] Hanamura E. et al. Optical properties of transition-metal doped spinels // J. Nonlinear Opt. Phys. Mater. 2003. Vol. 12, № 4. P. 467–473.

[4] Izumi K. et al. Optical properties of 3d transition-metal-doped Mg Al2 O4 spinels // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 2007. Vol. 76, № 7. P. 1–6.

[5] Зацепин А.Ф. et al. Парамагнитные антисайт Mn-дефекты в нанокерамике алюмомагниевой шпинели // Физика Твердого Тела. 2020. Vol. 62, № 1. P. 94.

[6] Seeman V. et al. Fast-neutron-induced and as-grown structural defects in magnesium aluminate spinel crystals with different stoichiometry // Opt. Mater. (Amst). Elsevier, 2019. Vol. 91, № February. P. 42–49.

[7] Feldbach E. et al. Optical characteristics of virgin and proton-irradiated ceramics of magnesium aluminate spinel // Opt. Mater. (Amst). Elsevier, 2019. Vol. 96, № August. P. 109308.

[8] Clinard F.W., Hurley G.F., Hobbs L.W. Neutron irradiation damage in MgO, Al2O3 and MgAl2O4 ceramics // J. Nucl. Mater. 1982. Vol. 108–109, № C. P. 655–670.

[9] Sickafus K.E. et al. Cation disorder in high dose, neutron-irradiated spinel // J. Nucl. Mater. 1995. Vol. 219. P. 128–134.

[10] Gritsyna V.T. et al. Structure and electronic states of defects in spinel of different compositions MgO·nAl2O3:Me // J. Am. Ceram. Soc. 1999. Vol. 82, № 12. P. 3365–3373.

[11]Phan T.L. et al. Photoluminescence properties of Cr 3+ -doped MgAl 2O 4 natural spinel // J. Korean Phys. Soc. 2004. Vol. 45, № 1. P. 63–66.

[12] Murphy S.T. et al. Non-stoichiometry in MgAl2O4 spinel // Philos. Mag. 2010. Vol. 90, № 10. P. 1297–1305.

[13] Sawai S., Uchino T. Visible photoluminescence from MgAl2O4 spinel with cation disorder and oxygen vacancy // J. Appl. Phys. 2012. Vol. 112, № 10.

[14] Costantini J.M. et al. Color-center production and recovery in electron-irradiated magnesium aluminate spinel and ceria // J. Phys. Condens. Matter. 2016. Vol. 28, № 32.

[15] Ibarra A. et al. High-dose neutron irradiation of MgAl2O4 spinel: Effects of post-irradiation thermal annealing on EPR and optical absorption // J. Nucl. Mater. 2005. Vol. 336, № 2–3. P. 156–162.

[16] Lushchik A. et al. Creation and thermal annealing of structural defects in neutron-irradiated MgAl2O4 single crystals // Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms. Elsevier, 2018. Vol. 435, № August. P. 31–37.

[17]Jozwik I. et al. Comparative study of radiation-induced damage in magnesium aluminate spinel by means of IL, CL and RBS/C techniques // Phys. Chem. Miner. Springer Berlin Heidelberg, 2016. Vol. 43, № 6. P. 439–445.

[18]Prieditis G. et al. Luminescence characteristics of magnesium aluminate spinel crystals of different stoichiometry // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 503, № 1.

[19] Zinkle S.J., Snead L.L. Influence of irradiation spectrum and implanted ions on the amorphization of ceramics // Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms. 1996. Vol. 116, № 1–4. P. 92–101.

[20] Zinkle S.J., Matzke Hj. and Skuratov V. Microstructure of swift heavy ion irradiated MgAl2O4 spinel // MRS Online Proceedings Library (OPL) , Volume 540: Symposium N / Microstructural Processes in Irradiated Materials , 1998 , 299. 2008. Vol. 11, № 75. P. 23–26.

[21] Yasuda K. et al. Atomic structure and disordering induced by 350 MeV Au ions in MgAl2O4 // Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms. 2006. Vol. 250, № 1-2 SPEC. ISS. P. 238–244.

[22] Yasudaa K. et al. Accumulation of radiation damage and disordering in MgAl2O 4 under swift heavy ion irradiation // Int. J. Mater. Res. 2011. Vol. 102, № 9. P. 1082–1088.

[23] Simeone D. et al. Order-disorder phase transition induced by swift ions in MgAl2O4 and ZnAl2O4 spinels // J. Nucl. Mater. 2002. Vol. 300, № 2–3. P. 151–160.

[24]Tijero J.M.G., Ibarra A. Use of luminescence of Mn2+ and Cr3+ in probing the disordering process in MgAl2O4 spinels // J. Phys. Chem. Solids. 1993. Vol. 54, № 2. P. 203–207.

[25] Kato T., Okada G., Yanagida T. Dosimeter properties of MgO transparent ceramic doped with C // Radiat. Meas. 2016. Vol. 92. P. 93–98.

[26] Popov A.I. et al. Comparative study of the luminescence properties of macro- and nanocrystalline MgO using synchrotron radiation // Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms. Elsevier B.V., 2013. Vol. 310. P. 23–26.

[27] Rosenblatt G.H. et al. Luminescence of F and F+ centers in magnesium oxide // Phys. Rev. B. 1989. Vol. 39, № 14. P. 10309–10318.

[28] Assylbayev R. et al. Defect-related luminescence of MgO single crystals irradiated with swift 132Xe ions // Opt. Mater. (Amst). Elsevier B.V., 2022. Vol. 127, № December 2021. P. 112308.

[29] Rachman T. 済無No Title No Title No Title // Angew. Chemie Int. Ed. 6(11), 951–952. 2018. Vol. 38. P. 10–27.

[30] Uenaka Y., Uchino T. Photoexcitation, trapping, and recombination processes of the F-type centers in lasing MgO microcrystals // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 2011. Vol. 83, № 19.

[31] O’Connell D.O., Henderson B., Bolton J.M. Uniaxial stress and polarisation studies of F2 centre luminescence in MgO // Solid State Commun. 1981. Vol. 38, № 4. P. 283–285.

[32] Mikenda W., Preisinger A. N-lines in the luminescence spectra of Cr3+ -doped spinels (I) identification of N-lines // J. Lumin. 1981. Vol. 26, № 1–2. P. 53–66.

[33] Turos A. et al. Radiation damage in spinel single crystals // Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms. 1996. Vol. 113, № 1–4. P. 261–265.

[34] A. F. Zatsepin, A. N. Kiryakov, D. A. Zatsepin, and N. V. Gavrilov. Modification of MgAl2O4 Electron-Optic Properties by Pulsed Ion Beam. Physics of Atomic Nuclei, 2019, Vol. 82, No. 11, pp. 1558–1564. DOI: 10.1134/S1063778819110206

[35] A. Dauletbekova, V. Skuratov, N. Kirilkin, I. Manika, J. Maniks, R. Zabels, A. Akilbekov, A. Volkov, M. Baizhumanov Depth profile aggregate centers in LiF crystals irradiated with 34 MeV 84Kr, 56 MeV 40Ar, 12 MeV 12C ions. Surface &Coating Technology, 2018, 355, pp. 16-21 DOI:10.1016/J.SURFCOAT.2018.03.096

[36] Bandyopadhyay P.K. Luminescence and photoconductivity in magnesium aluminum spinel / P.K. Bandyopadhyay, G.P. Summers // Physical Review B. – 1985. – V. 31. – № 4. – P. 2422-2426.

[37] Lushchik A. Creation and thermal annealing of structural defects in neutron-irradiated MgAl2O4 single crystals / A. Lushchik [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Phy

[38] Gritsyna V. Effects of transition-metal-doping on the radio-luminescence properties of magnesium aluminate spinel crystals / V. Gritsyna, Y. Kazarinov // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2018. – V. 3. – P. 7-12.

[39] Dereń P.J. Site selection spectroscopy of Cr3+ in MgAl2O4 green spinel / P.J. Dereń, M. Malinowski, W. Strȩk // Journal of Luminescence. – 1996. – V. 68. – № 2-4. – P. 91-103.

[40] Yamamoto T, Shimada M, Yasuda K, Matsumura S, Chimi Y, Ishikawa N. Microstructure and atomic disordering of magnesium aluminate spinel irradiated with swift heavy ions. Nucl Instrum

Meth B. 2006;245:235–8.

[41] Yasuda K, Yamamoto T, Shimada M, Matsumura S, Chimi Y, Ishikawa N. Atomic structure and disordering induced by 350 MeV Au ions in MgAl2O4. Nucl Instrum Meth B. 2006;250:238–44.

[42] Engel M, Stuhn B, Schneider JJ, Cornelius T, Naumann M. Smallangle X-ray scattering (SAXS) off parallel, cylindrical, well-defined nanopores: from random pore distribution to highly ordered samples. App Phys A. 2009;97(1):99–108.

[43]Yoshioka, S, Tsuruta, K, Yamamoto, T, et al. Local structure investigations of accumulated damage in irradiated MgAl2O4. J Am Ceram Soc. 2020; 103: 4654-4663. https://doi.org/10.1111/jace.17101

[44] Itou M., Fujiwara A., Uchino T. Reversible Photoinduced Interconversion of Color Centers in α-Al2O3 Prepared under Vacuum // J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. N 49. P. 20949−20957. doi 10.1021/jp908417m

Загрузки

Опубликован

19.06.2023

Как цитировать

Маматова, М. ., Кирилкин, Н., Акилбеков, А., Даулетбекова, А., & Базарбек, А.-Д. (2023). ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛЮМО-МАГНИЕВОЙ ШПИНЕЛИ ОБЛУЧЕННОЙ БЫСТРЫМИ ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ. Вестник КазАТК, 126(3), 451–461. https://doi.org/10.52167/1609-1817-2023-126-3-451-461

Выпуск

Раздел

Энергетика

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)