Основные и дополнительные оптически активные дефекты в алмазах

Таблица 1

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).

S1- 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

1. Аргунов К.П. Методическое пособие по изучению физических свойств якутских монокристаллов и поликристаллов алмаза. Якутск: Гохран РС(Я), 1999. - 91 с.

2. Соболев Е.В. Азотные центры и рост кристаллов природного алмаза// Проблемы петрологии земной коры и верхней мантии. Труды ИгиГ АН СССР, вып. 403, Новосибирск, 1978, с.35-42.

3. Гомон Г.О. Алмазы. Оптические свойства и классификация. М.-Л.: Машиностроение, 1966. – 146 с.

4. Хайдаров А.А., Гафитулина Д.С., Аргунов К.П. Ядерно-физические методы контроля качества алмазов. Ташкент: Фан, 1986. – 160 с.

5. Бескрованов В.В. Онтогения алмаза. Новосибирск: Наука, 2000. – 264 с.

1. Физические свойства алмаза. Справочник (под ред. Н.В.Новикова), Киев: Наукова думка, 1987.