RU2667678C1 - Люминесцентный способ определения концентрации примесей в кристаллических материалах - Google Patents
Люминесцентный способ определения концентрации примесей в кристаллических материалах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2667678C1 RU2667678C1 RU2017125219A RU2017125219A RU2667678C1 RU 2667678 C1 RU2667678 C1 RU 2667678C1 RU 2017125219 A RU2017125219 A RU 2017125219A RU 2017125219 A RU2017125219 A RU 2017125219A RU 2667678 C1 RU2667678 C1 RU 2667678C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- luminescence
- impurities
- excitation
- concentration
- sample
- Prior art date
Links
- 239000012535 impurity Substances 0.000 title claims abstract description 59
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 title claims abstract description 11
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 claims abstract description 31
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000001748 luminescence spectrum Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 37
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 8
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- GNBHRKFJIUUOQI-UHFFFAOYSA-N fluorescein Chemical compound O1C(=O)C2=CC=CC=C2C21C1=CC=C(O)C=C1OC1=CC(O)=CC=C21 GNBHRKFJIUUOQI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 4
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 3
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 2
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UOBPHQJGWSVXFS-UHFFFAOYSA-N [O].[F] Chemical compound [O].[F] UOBPHQJGWSVXFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/58—Photometry, e.g. photographic exposure meter using luminescence generated by light
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Изобретение относится к методам определения концентрации примесей. Люминесцентный способ определения концентрации центров свечения в кристаллических материалах включает возбуждение люминесцентных примесей электронным пучком, длительность которого составляет 0,1 излучательного времени жизни наиболее короткоживущего центра свечения, регистрацию люминесценции, выявление характеристических полос в спектре люминесценции, идентификацию центров свечения, измерение интенсивностей эталона и характеристических полос, определение концентрации с привлечением данных по градуировочным образцам, где внутренним эталоном чувствительности является собственное фундаментальное широкополосное свечение исследуемого материала, длительность которого меньше излучательного времени центров свечения. Для возбуждения люминесценции примесей и эталонного широкополосного свечения образца используют лазерные фемтосекундные импульсы с интенсивностью, обеспечивающей возбуждение кристаллического вещества. Перпендикулярная лазерному лучу возбуждения входная щелевая диафрагма системы регистрации люминесценции, координатно перемещаемого образца, имеет размер, равный пространственной протяженности фемтосекундного лазерного импульса. Технический результат заключается в увеличении объема и пространственной точности неразрушающего контроля распределения концентрации примеси в кристаллических материалах при снижении сложности конструкции перемещения образца и затрат рабочего времени на подготовку аппаратуры. 7 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к методам определения концентрации примесей в кристаллических материалах, а именно к люминесцентному способу определения концентрации примесных центров свечения ионов, атомов или молекул, и может быть использовано для технологического, метрологического контроля веществ и в экологии для контроля льда и, следовательно, водных растворов.
Известен способ измерения концентрации примеси [1], в котором излучение эталонного и исследуемого образца, возбуждаемое источником света, поступает на два фотоприемника. Концентрацию объекта определяют по градуировочному графику на основании отношения интенсивности сигналов обоих фотоприемников. Для устранения погрешности за счет изменений чувствительности это отношение нормируется на отношение интенсивности сигналов эталона этих же фотоприемников. Концентрация измеряется по формуле
где 
и 
- сигналы основного детектора при измерении эталона; 
и 
- сигналы дополнительного детектора при измерении эталона; U1 и U01 и U2 и U02 - аналогичные величины для измерения с образцам.
Недостатком способа является низкая чувствительность до 10-5%, зависимость точности измерений от геометрической точности приготовления и установки образцов, а также сложность оптической схемы регистрации.
Известен люминесцентный способ определения концентрации центров свечения в кислород- и фторсодержащих кристаллах [2]. Способ включает отбор пробы, возбуждение люминесцентных примесей электронным пучком, длительность которого составляет 0,1 излучательного времени (τ) наиболее короткоживущего центра свечения, регистрацию люминесценции, идентификацию центров свечения по величине τ в пределах характеристической полосы, измерение интенсивности характеристических полос и определение концентрации с привлечением данных по градуировочным образцам. Плотность мощности не менее 6⋅103 Вт и длительность импульса, составляющая 0,1 τ, обеспечивают переход квантовой системы примесных центров в стопроцентное возбужденное состояние, что позволяет повысить чувствительность определения концентрации примесных центров свечения и расширить диапазон измеряемых концентраций 10-2-10-11%.
Одна из операций способа заключается в измерении эталона (пробы с заранее известным составом дефектов) и в подготовке пробы исследуемого вещества к анализу. Для этого выпиливают кристалл в форме пластинки с площадью сечения, равной площади сечения эталона. Из-за погрешности установки кристалла в измерительной ячейке и от импульса к импульсу нестабильности электронного пучка примерно (5%) точность измерений люминесцентного спектрально-кинетического анализатора снижается до ±10%. Кроме того, недостатком известного способа являются затраты рабочего времени и материалов на подготовку пробы к анализу.
Наиболее близким аналогом является способ [3], включающим возбуждение люминесцентных примесей электронным пучком, длительность которого составляет 0,1 излучательного времени (τ) наиболее короткоживущего центра свечения, регистрацию люминесценции, идентификацию центров свечения по величине излучательного времени в пределах характеристической полосы, измерение интенсивностей эталона и характеристических полос, определение концентрации с привлечением данных по градуировочным образцам, где внутренним эталоном чувствительности выбирают собственное фундаментальное широкополосное свечение исследуемого материала, длительность которого меньше излучательного времени примесного центра свечения.
Благодаря тому, что исследуемая проба и эталон совмещены в одном образце, а длительность внутреннего эталонного свечения меньше излучательного времени люминесценции примеси, то независимо от размеров и пространственного положения образца посредством цифрового осциллографа за один импульс облучения с большой точностью фиксируется соотношение интенсивностей эталонного свечения и примеси. Поэтому в этом способе операция составления градуировочного графика производится на образцах произвольной формы с заранее известным составом примеси.
Указанный способ позволяет измерять концентрацию примесей кристалла в слое проникновения электронов, который при энергии электронов в пучке 60 -250 кэВ составляет 100 -300 микрон. Это означает, что данный способ позволяет анализировать в образце распределение примесей в слое до 300 мкм, начиная от 100 мкм. То есть точность анализа по толщине 100 мкм. Кроме того, если кристалл имеет толщину больше 300 мкм (0,3 мм), то неразрушающий контроль распределения концентрации примеси в объеме кристаллического образца по данному способу не возможен. Это существенные недостатки данного люминесцентного способа.
Кроме того, недостатком этого способа являются сложность конструкции горизонтальной регулировки положения образца и длительные затраты рабочего времени на подготовку аппаратуры к анализу, поскольку формирование наносекундного электронного пучка и облучение исследуемого образца необходимо производить в вакуумной камере.
Целью изобретения является увеличение объема и пространственной точности неразрушающего контроля распределения концентрации примеси в кристаллических материалах при снижении сложности конструкции перемещения образца и затрат рабочего времени на подготовку аппаратуры.
Поставленная цель достигается тем, что заявляемый способ включает возбуждение люминесцентных примесей фемтосекундным лазерным импульсом, регистрацию люминесценции, выявление характеристических полос в спектре люминесценции, идентификацию центров свечения, измерение интенсивностей эталона и характеристических полос, определение концентрации с привлечением данных по градуировочным образцам, где эталоном чувствительности является собственное фундаментальное широкополосное свечение исследуемого материала, длительность которого меньше излучательного времени примесного центра свечения [4]. Возбуждаемое интенсивным фемтосекундным лазерным излучением по многофотонному механизму собственное фундаментальное широкополосное свечение в кристаллических материалах является валентной люминесценцией. Это собственное широкополосное свечение в области 240-600 нм принято, как эталонное, потому что его параметры не зависят от температуры, примесного состава кристалла и длины волны фемтосекундного лазерного возбуждения. Для достижения условия возбуждения люминесцентных примесей и собственного широкополосного эталонного свечения (ШЭС) интенсивность фемтосекундного лазерного импульса устанавливают такой, что выполняется условие
где n=2, 3, 4… - число многофотонного возбуждения, h - постоянная Планка, с - скорость света, λ - длина волны лазерного импульса, Eg - энергетическая ширина запрещенной зоны, Eν - энергетическая ширина валентной зоны.
Кроме того, перпендикулярная лазерному лучу возбуждения, входная щелевая диафрагма системы регистрации люминесценции, координатно перемещаемого образца, выбирается по ширине, равной пространственной протяженности фемтосекундного лазерного импульса.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».
Заявителю не известно из уровня техники о наличии следующих признаков:
1. Интенсивность фемтосекундного лазерного возбуждения люминесценции примеси и широкополосного эталонного свечения в кристаллическом материале выбирают такой, что выполняется условие
где n=2, 3, 4… - число многофотонного возбуждения, h - постоянная Планка, с - скорость света, λ - длина волны лазерного импульса, Eg - энергетическая ширина запрещенной зоны кристалла, Eν - энергетическая ширина валентной зоны кристалла.
2. Перпендикулярная лазерному лучу возбуждения, входная щелевая диафрагма системы регистрации люминесценции, координатно перемещаемого образца, выбирается шириной, равной пространственной протяженности фемтосекундного лазерного импульса.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». Кроме того, при взаимодействии признаков получается новый технический результат (по отношению к прототипу) - значительно упрощается конструкция перемещения образца и снижаются затраты рабочего времени на подготовку аппаратуры к анализу кристаллических материалов.
На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для реализации данного способа; на фиг. 2 - осциллограмма кристалла Аl2O3 (Ti); на фиг. 3 - градуировочные графики определения содержания примесей: на фиг. 4 - осциллограмма кристалла YAlO3 (Се); на фиг. 5 - осциллограмма кристалла CsI (О); на фиг. 6 - осциллограмма кристалла NaCl (ОН); 7 - осциллограмма кристалла Н2O (флуоресцеин). В таблице 1 приведены сведения по спектральным и кинетическим характеристикам примесей в кристаллических материалах.
Способ осуществляется следующим образом:
Люминесценцию примеси и широкополосного эталонного свечения (ШЭС) в образце (0) возбуждают импульсами фемтосекундного лазера через линзовую телескопическую систему (2), посредством которой устанавливается оптимальная интенсивность возбуждения фотолюминесценции (ФЛ) примеси и широкополосного эталонного свечения. Входная щелевая диафрагма оптической системы регистрации и анализа спектрально-кинетических параметров (3), относительно которой координатно перемещается кристаллический объект (0), перпендикулярна распространению фемтосекундных лазерных импульсов (4) и имеет ширину (d). Информационная система регистрации и анализа спектрально-кинетических параметров люминесценции (3) имеет канал одноимпульсного спектрометра с компьютером (5) и быстродействующий канал измерения параметров импульсной люминесценции с разрешением 1 нc: p-i-n фотодиод и цифровой осциллограф (6). Количественное содержание примеси определяют по градуировочному графику и отношению интенсивности ШЭС - I0 к интенсивности ФЛ - I. Построение градуировочного графика производят на образцах произвольной формы с заранее известным составом примеси.
Пример 1. Кристалл Аl2O3 размерами 5×5×10 мм3 устанавливают перпендикулярно щелевой диафрагме по длине на расстоянии 5 мм. Ширина щелевой диафрагмы 300 мкм. На торцевую часть образца под углом 90° подают излучение четвертой гармоники перестраиваемого Ti:Sp лазера. Длительность лазерного импульса 100 фс, диаметр луча 50 мкм, длина волны 220 нм (5,65 эВ). При интенсивности 80 МВт/см2 достигается режим трехфотонной ионизации собственного вещества сапфира с забросом электронов в зону проводимости с глубоких состояний валентной зоны и выполняется условие nhc/λ≥Eg+Ev/2, где n=3, hc/λ=5,65 эВ, nhc/λ=17 эВ, Eg=9,6 эВ, Ev/2=6,8 эВ. В одноимпульсном спектре наблюдается интенсивное широкополосное эталонное свечение и полоса с максимумом на 315 нм с временем затухания 195 нс (фиг. 2). По таблице 1, где приведены сведения по спектральным и кинетическим характеристикам примесей в сапфире осуществляют идентификацию полос той или иной примесью. Так в данном кристалле сапфира регистрируют примесь Ti.
На фиг. 2 приведена осциллограмма кристалла Аl2O3 с примесью Ti. Количественное содержание примеси C=Lg(I0/I)=0,1 вec.% определяют по градуировочному графику, приведенному на фиг. 3 и отношению измеренных интенсивностей. В 100 циклах измерений при перемещении по всей длине кристалла относительно щелевой диафрагмы и по вертикальной оси относительно лазерного луча получено одинаковое отношение интенсивностей (I0/I=2,15) с погрешностью измерения на цифровом осциллографе ±0,1%. Данный экспериментальный результат указывает на то, что по всему объему данного кристалла распределение примеси Ti равномерное. Таким образом, по сравнению с прототипом увеличен объем неразрушающего контроля распределения концентрации примеси в кристаллическом образце с толщины 0,3 мм до 10 мм, практически в 33 раза.
Пример 2. В предложенном варианте способа условия выполнения аналогичны примеру 1. Исследуется круглый полированный кристалл YAlO3 размерами ∅4×10 мм3. В режиме регистрации щель диафрагмы устанавливают 20 мкм в соответствии с пространственной длиной лазерного импульса по формуле d=c/n⋅tи=20 мкм, где с - скорость света, n=1,94 - показатель преломления света в кристалле YAlO3, tи=130 фс - длительность лазерного импульса. При интенсивности 80 МВт/см2 достигается режим трехфотонной ионизации собственного вещества YAlO3 с забросом электронов в зону проводимости с глубоких состояний валентной зоны и выполняется условие nhc/λ≥Eg+Еv/2, где n=3, hc/λ=5,65 эВ, nhc/λ=17 эВ, Еg=7,5 эВ, Еv/2=5,9 эВ. В одноимпульсном спектре наблюдается интенсивное широкополосное эталонное свечение и полоса с максимумом на 380 нм с временем затухания по данным и осциллограммы 50 нс (фиг. 4). По таблице 1, идентифицируют примесь церия (Се). Количественное содержание примеси церия С=10-3 вес.% определяют по градуировочному графику (фиг. 3) и отношению измеренных интенсивностей (I0/I). Количественное содержание примеси Се в 100 циклах измерений при перемещении по всей длине кристалла относительно щелевой диафрагмы и при вращении относительно центра дает увеличение отношения интенсивностей в 2 раза, измеренной в центре (I0/I=7,14) и по радиусу к периферии с погрешностью измерения осциллограммы ±0,1%. Причем, при перемещении кристалла на 20 мкм по радиусу в близи периферии, величина I0/I увеличивается на 0,15%.
Таким образом, по сравнению с прототипом, как и в примере 1, увеличен объем неразрушающего контроля распределения концентрации примеси в кристаллическом образце практически в 33 раза. Кроме того, того по сравнению с прототипом увеличена точность контроля распределения примеси по объему образца с 100 мкм до 20 мкм, в 5 раз.
Пример 3. В данном варианте способа условия выполнения аналогичны примеру 1. Но в режиме возбуждения формируют импульс длительностью 60 фс и устанавливают интенсивность 8 МВт/см2. Исследуется круглый полированный кристалл CsI размерами ∅15×20 мм3. В режиме регистрации щель диафрагмы устанавливают 10 мкм в соответствии с пространственной длиной лазерного импульса по формуле d=c/n⋅tи=10 мкм, где с - скорость света, n=1,8 - показатель преломления света в кристалле CsI, tи=60 фс - длительность лазерного импульса. При интенсивности 8 МВт/см2 достигается режим двухфотонной ионизации собственного вещества CsI с забросом электронов в зону проводимости с глубоких состояний валентной зоны и выполняется условие nhc/λ≥Eg+Ev/2, где n=2, hc/λ=5,65 эВ, nhc/λ=11,3 эВ, Eg=6,0 эВ, Ev/2=2,4 эВ. В одноимпульсном спектре наблюдается широкополосное эталонное свечение и полоса с максимумом на 320 нм и временем затухания 18 нс (фиг. 5). По таблице 1, идентифицируют примесь кислорода (О). Количественное содержание примеси кислорода С=1,8⋅10-4 вес.% определяют по градуировочному графику на фиг. 3 и отношению измеренных интенсивностей (I0/I). Количественное содержание примеси О в 100 циклах измерений при перемещении по всей длине кристалла относительно щелевой диафрагмы и при вращении относительно лазерного луча дает уменьшение отношения интенсивностей в центре (I0/I=10,0) по радиусу к периферии в 12 раз с погрешностью измерения осциллограммы ±0,1%. Причем при перемещении кристалла по радиусу на величину 10 мкм величина I0/I уменьшилась на 0,3%. Этот результат дает точность контроля распределения примеси по объему образца не хуже 10 мкм
Таким образом, по сравнению с прототипом, как и в примере 1, увеличен объем неразрушающего контроля распределения концентрации примеси в кристаллическом образце в 33 раза. Кроме того, того по сравнению с прототипом увеличена точность контроля распределения примеси по объему образца с 100 мкм до 10 мкм, в 10 раз.
Пример 4. Кристалл NaCl размерами 4×4×10 мм3 устанавливают по длине перпендикулярно щелевой диафрагме на расстоянии 5 мм. На торцевую плоскость образца под углом 90° подают излучение третей гармоники перестраиваемого Ti:Sp лазера: длительность импульса tи=25 фс, диаметр луча 20 мкм, длина волны 280 нм (4,44 эВ). Щель диафрагмы устанавливают 5 мкм в соответствии с пространственной длиной лазерного импульса d=c/n⋅tи=5 мкм, где с - скорость света, n=1,54 - показатель преломления света в кристалле NaCl. При интенсивности 800 МВт/см2 достигается режим четырехфотонной ионизации вещества NaCl с забросом электронов в зону проводимости с глубоких состояний валентной зоны по условию nhc/λ≥Еg+Еv/2, где n=4, hc/λ=4,44 эВ, nhc/λ=17,76 эВ, Eg=10 эВ, Еv/2=3,2 эВ. В одноимпульсном спектре наблюдается интенсивное широкополосное эталонное свечение и полоса ФЛ с максимумом на 600 нм и временем затухания 10 нc (фиг. 6). По таблице 1, идентифицируют примесь гидроксила (ОН). Количественное содержание примеси гидроксила С=6,3⋅10-5 вес.% определяют по градуировочному графику (фиг. 3) и отношению интенсивностей (I0/I). Количественное содержание примеси в 100 циклах измерений при перемещении кристалла по всей длине относительно щелевой диафрагмы и по вертикальной оси относительно лазерного луча дает уменьшение отношения интенсивностей (I0/I=11) от центра к периферии по вертикальной оси в 10 раз с погрешностью измерения осциллограммы ±0,1%. Причем при перемещении кристалла по вертикальной оси у периферийной границы на величину 5 мкм величина I0/I уменьшается на 0,4%. Этот результат дает точность контроля распределения примеси по объему образца не хуже 5 мкм
Таким образом, по сравнению с прототипом, как и в примере 1, увеличен объем неразрушающего контроля распределения концентрации примеси в кристаллическом образце практически в 33 раза. Кроме того, того по сравнению с прототипом увеличена точность контроля распределения примеси по объему образца с 100 мкм до 5 мкм, в 20 раз.
Пример 5. В предложенном варианте способа условия выполнения аналогичны примеру 1. Исследуется полированный кристалл Н2О размерами 4×4×10 мм3, приготовленный путем распыления в раствор дистиллированной воды порошка флуоресцеина с быстрой последующей заморозкой, с тем, чтобы зерна порошка ∅ ~1 мкм растворились лишь в окрестности своей поверхности. Щель диафрагмы устанавливают 2,5 мкм в соответствии с пространственной длиной лазерного импульса по формуле d=c/n⋅tи=2,5 мкм, где с - скорость света, n=1,31 - показатель преломления света в кристалле Н2О, tи=10 фс - длительность лазерного импульса. При интенсивности 80 МВт/см2 достигается режим трехфотонной ионизации собственного вещества Н2О с забросом электронов в зону проводимости с глубоких состояний валентной зоны и выполняется условие nhc/λ≥Eg+Еv/2, где n=3, hc/λ=5,65 эВ, nhc/λ=17 эВ, Eg=9,0 эВ, Ev/2=4,3 эВ. В одноимпульсном спектре в некоторых точках кристалла наблюдается интенсивное широкополосное эталонное свечение и полоса с максимумом на 527 нм и временем затухания 4 нс (фиг. 7). По таблице 1 идентифицируют примесь флуоресцеина. При перемещении кристалла по всей длине относительно щелевой диафрагмы измеряют отношение интенсивностей (I0/I) с погрешностью измерения осциллограммы ±0,1%. В данном исследовании установлено, что при перемещении кристалла Н2O с примесью флуоресцеина через разные промежутки по длине образца, наряду с эталонным свечением, возникает зеленая люминесценция флуоресцеина и сохраняется на дистанции перемещения кристалла 2,5 мкм. Этот результат дает точность контроля распределения примеси по объему образца не хуже 2,5 мкм. По сравнению с прототипом увеличена точность контроля распределения примеси по объему образца с 100 мкм до 2,5 мкм, в 50 раз.
Таким образом, достижение цели изобретения подтверждено экспериментально. Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известным изобретением дает следующее преимущества:
- увеличение объема исследуемого вещества.
- увеличение пространственной точности способа.
- упрощение конструкции перемещения образца.
- сокращение рабочего времени на подготовку аппаратуры.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1341556. Способ измерения концентраций примеси. 1985 г., кл. G01N 21/62. А.Н. Акимов, A.M. Акимова, П.А. Торпачев.
2. Патент РФ на изобретение №1795738. Люминесцентный способ определения концентрации центров свечения в кислородо- и фторосодержащих кристаллах. 1990 г., кл. G01N 21/62. В.И. Барышников, Л.И. Щепина, Т.А. Колесникова.
3. Патент РФ на изобретение №2110059. Люминесцентный способ определения концентрации центров свечения в кислородсодержащих материалах. 1995 г., кл. В01N 21/62. В.И. Барышников, Т.А. Колесникова, Л.И. Щепина.
4. В.И. Барышников, Т.А. Колесникова. Фемтосекундные механизмы электронного возбуждения кристаллических материалов. //ФТТ, 2005, т. 47, №10, с. 1776-1780.
Люминесцентный способ определения концентрации примесей в кристаллических материалах
Claims (1)
- Люминесцентный способ определения концентрации центров свечения в кристаллических материалах, включающий возбуждение люминесцентных примесей электронным пучком, длительность которого составляет 0,1 излучательного времени жизни наиболее короткоживущего центра свечения, регистрацию люминесценции, выявление характеристических полос в спектре люминесценции, идентификацию центров свечения, измерение интенсивностей эталона и характеристических полос, определение концентрации с привлечением данных по градуировочным образцам, где внутренним эталоном чувствительности является собственное фундаментальное широкополосное свечение исследуемого материала, длительность которого меньше излучательного времени центров свечения, отличающийся тем, что для возбуждения люминесценции примесей и эталонного широкополосного свечения образца используют лазерные фемтосекундные импульсы с интенсивностью, обеспечивающей возбуждение кристаллического вещества согласно условиюгде n=2, 3, 4, … - число многофотонного возбуждения, h - постоянная Планка, с - скорость света, λ - длина волны лазерного импульса, Eg - энергетическая ширина запрещенной зоны кристалла, Eν - энергетическая ширина валентной зоны и при этом перпендикулярная лазерному лучу возбуждения входная щелевая диафрагма системы регистрации люминесценции, координатно перемещаемого образца, имеет размер, равный пространственной протяженности фемтосекундного лазерного импульса.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017125219A RU2667678C1 (ru) | 2017-07-13 | 2017-07-13 | Люминесцентный способ определения концентрации примесей в кристаллических материалах |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017125219A RU2667678C1 (ru) | 2017-07-13 | 2017-07-13 | Люминесцентный способ определения концентрации примесей в кристаллических материалах |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2667678C1 true RU2667678C1 (ru) | 2018-09-24 |
Family
ID=63668902
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017125219A RU2667678C1 (ru) | 2017-07-13 | 2017-07-13 | Люминесцентный способ определения концентрации примесей в кристаллических материалах |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2667678C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2806531C1 (ru) * | 2023-05-05 | 2023-11-01 | Наталья Анатольевна Ларина | Люминесцентный способ определения неконтролируемых примесей и неоднородности их поверхностного распределения |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1795738A1 (ru) * | 1990-02-27 | 1995-09-27 | Научно-исследовательский институт прикладной физики при Иркутском государственном университете | Люминесцентный способ определения концентрации центров свечения в кислород- и фторсодержащих кристаллах |
| GB2303698A (en) * | 1995-07-24 | 1997-02-26 | Gersan Ets | A method and apparatus for detecting layers of synthetic diamond |
| RU2110059C1 (ru) * | 1995-10-26 | 1998-04-27 | Барышников Валентин Иванович | Люминесцентный способ определения концентрации центров свечения в кислородсодержащих материалах |
| RU2226683C1 (ru) * | 2002-11-06 | 2004-04-10 | Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН | Фотолюминесцентный способ определения концентрации примесных центров, изоморфно внедренных в структуру алмаза |
-
2017
- 2017-07-13 RU RU2017125219A patent/RU2667678C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1795738A1 (ru) * | 1990-02-27 | 1995-09-27 | Научно-исследовательский институт прикладной физики при Иркутском государственном университете | Люминесцентный способ определения концентрации центров свечения в кислород- и фторсодержащих кристаллах |
| GB2303698A (en) * | 1995-07-24 | 1997-02-26 | Gersan Ets | A method and apparatus for detecting layers of synthetic diamond |
| RU2110059C1 (ru) * | 1995-10-26 | 1998-04-27 | Барышников Валентин Иванович | Люминесцентный способ определения концентрации центров свечения в кислородсодержащих материалах |
| RU2226683C1 (ru) * | 2002-11-06 | 2004-04-10 | Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН | Фотолюминесцентный способ определения концентрации примесных центров, изоморфно внедренных в структуру алмаза |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2806531C1 (ru) * | 2023-05-05 | 2023-11-01 | Наталья Анатольевна Ларина | Люминесцентный способ определения неконтролируемых примесей и неоднородности их поверхностного распределения |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wobrauschek et al. | Total-reflection x-ray fluorescence spectrometric determination of elements in nanogram amounts | |
| US20190310201A1 (en) | Portable laser induced breakdown spectroscopy systems | |
| Asahi et al. | Development of a femtosecond diffuse reflectance spectroscopic system, evaluation of its temporal resolution, and applications to organic powder systems | |
| De Giacomo et al. | Spatial distribution of hydrogen and other emitters in aluminum laser-induced plasma in air and consequences on spatially integrated Laser-Induced Breakdown Spectroscopy measurements | |
| Liangying et al. | Analysis of pulverized coal by laser-induced breakdown spectroscopy | |
| Toci et al. | Lifetime measurements with the pinhole method in presence of radiation trapping: II—application to Yb3+ doped ceramics and crystals | |
| Tang et al. | Investigation on self-absorption reduction in laser-induced breakdown spectroscopy assisted with spatially selective laser-stimulated absorption | |
| Shakeel et al. | Quantitative analysis of Ge/Si alloys using double-pulse calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy | |
| Kagawa et al. | Carbon analysis for inspecting carbonation of concrete using a TEA CO 2 laser-induced plasma | |
| Khalil et al. | Quantitative determination of copper in a glass matrix using double pulse laser induced breakdown and electron paramagnetic resonance spectroscopic techniques | |
| Zhang et al. | Silicon determination in steel with molecular emission using laser-induced breakdown spectroscopy combined with laser-induced molecular fluorescence | |
| Sheng et al. | Quantitative analysis of Fe content in iron ore via external calibration in conjunction with internal standardization method coupled with LIBS | |
| Toshima et al. | Ion-induced luminescence of alumina with time-resolved spectroscopy | |
| Hegazy et al. | Laser-induced breakdown spectroscopy: technique, new features, and detection limits of trace elements in Al base alloy | |
| Xiao et al. | An improved instrument for measuring time-resolved lanthanide emission and resonance energy transfer | |
| RU2667678C1 (ru) | Люминесцентный способ определения концентрации примесей в кристаллических материалах | |
| Brůža et al. | Table-top instrumentation for time-resolved luminescence spectroscopy of solids excited by nanosecond pulse of soft X-ray source and/or UV laser | |
| Sun et al. | Determination of the limits of detection for aluminum-based alloys by spatially resolved single-and double-pulse laser-induced breakdown spectroscopy | |
| LI et al. | Quantitative analysis of impurities in aluminum alloys by laser-induced breakdown spectroscopy without internal calibration | |
| Brai et al. | Double pulse laser induced breakdown spectroscopy applied to natural and artificial materials from cultural heritages: a comparison with micro-X-ray fluorescence analysis | |
| WO2010007386A2 (en) | Spectrometer and method of operating a spectrometer | |
| Mo et al. | Microanalysis of silver jewellery by laser-ablation laser-induced breakdown spectroscopy with enhanced sensitivity and minimal sample ablation | |
| Ma et al. | Investigation of resonance excitation of trace elements using resonant laser-induced breakdown spectroscopy (RLIBS) | |
| Schauer et al. | Prospective scintillation electron detectors for S (T) EM based on garnet film scintillators | |
| Kroó et al. | Monitoring of nanoplasmonics-assisted deuterium production in a polymer seeded with resonant Au nanorods using in situ femtosecond laser induced breakdown spectroscopy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200714 |