Ukrainian Journal of Physical Optics


2027 Volume 28, Issue 1


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

OSCILLATORY REGULARITY IN THE ENERGY SPECTRUM OF TRAPS IN ORDERED MEDIA. I. EXPERIMENTAL METHODS AND RESULTS (REVIEW)

A. Gumenyuk and S. Kutovyy

Author Information
1,2Gumenyuk, A. SCOPUS logo, 1Kutovyy, S. ORCID logo SCOPUS logo,
1Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Physics, 64/13 Volodymyrska Street, 01601 Kyiv, Ukraine;
2Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, 46 Nauky Avenue, 03028, Kiev, Ukraine

ABSTRACT

The article presents the results of the author's research into the energy spectra of traps in over 30 ordered materials - including metal oxide crystals, halide perovskites, alkali halide crystals, and specific types of polymers - using an improved fractional thermoluminescence (FTL) method. The trap energies exhibit oscillatory regularities described by E=ћωTL(n+1/2), where, in most cases, ωTL coincides with the frequencies of the Raman spectrum lines. Depending on the crystal structure, we observed one to five oscillatory series. The oscillator regularities in trap energies are attributed to the polaron nature of the charge carriers. We propose a polaron model of traps in inorganic crystals and a one-dimensional (1D) trap model for organic linear conjugated polymers. Part I describes thermoluminescence methods for investigating trap energy spectra, presents the experimental results, and formulates the polaron trap model

Keywords: thermoluminescence, Raman scattering, polaron, oscillatory regularity

UDC: 535.377; 535.375

    1. Tale, I. A., & Rosa, J. (1984). Fractional glow technique spectroscopy of traps in heavily doped AlN:O. Physica Status Solidi (a), 86(1), 319-326.
      doi:10.1002/pssa.2210860136
    2. Randall, J. T., & Wilkins, M. H. F. (1945). Phosphorescence and electron traps-I. The study of trap distributions. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 184(999), 365-389.
      doi:10.1098/rspa.1945.0024
    3. McKeever, S. W. S. (1985). Thermoluminescence of solids. Cambridge University Press.
      doi:10.1017/CBO9780511564994
    4. Chen, R., & McKeever, S. W. S. (1997). Theory of thermoluminescence and related phenomena. World Scientific.
      doi:10.1142/2781
    5. Gobrecht, H., & Hofmann, D. (1966). Spectroscopy of traps by fractional glow technique. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 27(3), 509-522.
      doi:10.1016/0022-3697(66)90194-6
    6. Tale, I. A. (1981). Trap spectroscopy by the fractional glow technique. Physica Status Solidi (a), 66(1), 65-75.
      doi:10.1002/pssa.2210660106
    7. Gumenyuk, A. F., & Kutovyi, S. Yu. (2005). Thermoluminescence studies of undoped LiF crystals. I. The method of analysis of complicated thermoluminescent peaks. Ukrainian Journal of Physics, 50(4), 345-350.
    8. Gumenyuk, A. F., & Kutovyi, S. Yu. (2003). Oscillator rule of the trap activation energies in NaCl crystals. Central European Journal of Physics, 1(2), 307-331.
      doi:10.2478/BF02476299
    9. Furetta, C. (2003). Handbook of thermoluminescence. World Scientific.
      doi:10.1142/5167
    10. Gumenjuk, A., Dmitruk, I., Davydenko, M., Kutovyi, S., Pashchenko, V., & Stanovyy, O. (2009). Thermostimulated luminescence of the cadmium sulphide and selenide nano-, micro- and bulk crystals. Bulletin of Taras Shevchenko National University of Kyiv. Series: Physics & Mathematics, (4), 201-206.
    11. Kutovyy, S. Yu., & Stanovyi, O. P. (2022). Thermostimulated luminescence and photoluminescence of microcrystalline zinc sulphide ZnS:Cu. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics, 25(4), 422-428.
      doi:10.15407/spqeo25.04.422
    12. Kutovyy, S., Kormilitsina, A., Stanovyi, O., Pashchenko, V., Borova, M., & Yemets, A. (2022). Comparison of characteristics of thermostimulated luminescence of CdS nanostructures obtained by green synthesis and chemical method. Journal of Nano- and Electronic Physics, 14(2), 02018-1-02018-6.
      doi:10.21272/jnep.14(2).02018
    13. Stanovyi, O., Kutovyy, S., Morozov, Yu., Naumenko, A., Dmitruk, I., & Borodyanska, A. (2016). Low-temperature thermoluminescence studies of the nanocrystalline yttria-stabilized zirconia. Ukrainian Journal of Physics, 61(6), 489-494.
      doi:10.15407/ujpe61.06.0489
    14. Gumenyuk, A. F., & Kutovyi, S. Yu. (2002). Oscillator regularity of the trap activation energies in Al2O3 crystals. Functional Materials, 9(2), 314-319.
    15. Gorban, I. S., Gumenyuk, A. F., & Omel'yanenko, V. A. (1988). Thermoluminescence and polaron states in barium-sodium niobate crystals. Ukrainian Journal of Physics, 33, 530-534.
    16. Degoda, V. Ya., Gumenyuk, A., Pavlova, N., Sofiienko, A., & Sulima, S. (2016). Oscillatory regularity of charge carrier trap energy spectra in ZnSe single crystals. Acta Physica Polonica A, 129(3), 304-309.
      doi:10.12693/APhysPolA.129.304
    17. Blinnikov, G. P., Golonzhka, V. N., & Gumenyuk, A. F. (1990). Energy spectrum of traps in CsCdCl3 crystals. Optics and Spectroscopy, 69(5), 624-627.
    18. Gumenyuk, A. F., Kutovyi, S. Yu., & Okhrimenko, O. B. (1997). Oscillator regularities in the trap energy spectra of CdWO4 crystals [in Ukrainian]. Ukrainian Journal of Physics, 42(7), 870-873.
    19. Gorban, I. S., Gumenyuk, A. F., & Kutovyi, S. Yu. (1995). Oscillatory dependences in trap energies in ZnWO4 crystals [in Ukrainian]. Ukrainian Journal of Physics, 40(1-2), 73-76.
    20. Gorban, I. S., Gumenyuk, A. F., Degoda, V. Ya., & Kutovyi, S. Yu. (1993). Regularities of the energy spectrums of charge carrier delocalization from traps in YAG. Optics and Spectroscopy, 75(1), 47-50.
    21. Gumenyuk, A. F., & Kutovyi, S. Yu. (2005). Thermoluminescence studies of undoped LiF crystals. II. The oscillator-like regularity in trap activation energies. Ukrainian Journal of Physics, 50(10), 1125-1132.
    22. Gumenyuk, A. F., Kutovyi, S. Yu., Stanovyi, O. P., Pashchenko, V. G., & Tomylko, S. V. (2009). Oscillatory rule in the energy spectrum of traps in KCl and NaI crystals. Ukrainian Journal of Physics, 54(10), 999-1006.
    23. Stanovyi, O., Kutovyy, S., Gumenyuk, A., & Dmitruk, I. (2017). Polaron model of traps and their activation energies in KBr crystals. Journal of Nano- and Electronic Physics, 9(4), 04009-1-04009-5.
      doi:10.21272/jnep.9(4).04009
    24. Fairchild, R. G., Mattern, P. L., Lengweiler, K., & Levy, P. V. (1978). Thermoluminescence of LiF TLD-100: Glow-curve kinetics. Journal of Applied Physics, 49(8), 4523-4533.
      doi:10.1063/1.325461
    25. Gumenyuk, A., Ostapenko, N., Ostapenko, Yu., Kerita, O., & Suto, S. (2012). Unusual features of charge carrier traps energy spectra in silicon organic polymers revealed by advanced TSL. Chemical Physics, 394(1), 36-39.
      doi:10.1016/j.chemphys.2011.12.009
    26. Gumenyuk, A., Ostapenko, N., Ostapenko, Yu., Kerita, O., Suto, S., & Watanabe, A. (2012). Oscillatory regularity of charge carrier traps energy spectra in silicon organic polymer poly(di-n-hexylsilane). Low Temperature Physics, 38(8), 932-937.
      doi:10.1063/1.4746796
    27. Gumenyuk, A. F., & Kerita, O. A. (2017). Model of 1D charge carrier traps and polyconformism of silicon backbone segments in the polymer poly(di-n-hexylsilane). Molecular Crystals and Liquid Crystals, 642(1), 47-62.
      doi:10.1080/15421406.2016.1254515
    28. Curie, D. (1963). Luminescence in crystals. Wiley.
    29. Kadaschchuk, A. K., Ostapenko, N. I., Skryshevskii, Yu. A., Sugakov, V. I., Susokolova, T. O., & Spac, M. T. (2000). Structural defects in carbazolyl-containing polymers with polymethine dye impurities. Physics of the Solid State, 42(8), 1548-1553.
      doi:10.1134/1.1307069
    30. Beaven, H. J. (1988). A model for thermoluminescence and related phenomena in PbSO4:Sm. Journal of Physics D: Applied Physics, 21(1), 181-188.
      doi:10.1088/0022-3727/21/1/025
    31. Kirsh, Y., Shoval, S., Yariv, S., & Kristianpoller, N. (1989). Natural and β-induced thermoluminescence in microcline. Physica Status Solidi (a), 113(2), 631-636.
      doi:10.1002/pssa.2211130246
    32. Kuznetsov, A. S., Hütt, G. I., & Jaec, I. W. (1975). About generation of defects in crystals of ionic compounds under irradiation in the vacuum ultraviolet region. Proceedings of the Institute of Physics and Astronomy of the Estonian Academy of Sciences, 43, 223-242.
    33. Gumenyuk, A. F., Kutovyi, S. Yu., & Grebenovych, M. O. (2005). Study of trapping centers in undoped Al2O3 crystals using thermoluminescence method. Functional Materials, 12(1), 72-77.
    34. Maczka, M., Bednarkiewicz, A., Mendoza-Mendoza, E., Fuentes, A. F., & Kepinski, L. (2014). Low-temperature synthesis, phonon and luminescence properties of Eu-doped Y3Al5O12 (YAG) nanopowders. Materials Chemistry and Physics, 143(3), 1039-1047.
      doi:10.1016/j.matchemphys.2013.11.002
    35. Qiu, H., Yang, P., Dong, J., Deng, P., Xu, J., & Chen, W. (2002). The influence of Yb concentration on laser crystal Yb:YAG. Materials Letters, 55(1-2), 1-7.
      doi:10.1016/S0167-577X(01)00608-5
    36. Krauzman, M. (1968). Spectres de diffusion Raman du second ordre de monocristaux de chlorure de sodium et de bromure de potassium. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences, Série B, 266, 186-188.
    37. Ostapenko, N. I., & Sugakov, V. I. (2026). Features of molecular vibrational effects on polymer thermoluminescence. Ukrainian Journal of Physics, 71(4), 392-406.
      doi:10.15407/ujpe71.4.392
    38. Bos, A. J. J. (2007). Theory of thermoluminescence. Radiation Measurements, 41(Supplement 1), S45-S56.
      doi:10.1016/j.radmeas.2007.01.003

    Стаття містить результати авторських досліджень енергетичних спектрів пасток понад 30 впорядкованих матеріалів, зокрема кристалів оксидів металів, перовскітів-галогенідів, лужногалоїдних кристалів і полімерів певних типів. за допомогою вдосконаленого методу фракційної термолюмінесценції (ФТЛ). Енергії пасток демонструють коливальні закономірності, що описуються формулою E=ћωTL(n+1/2), де в більшості випадків значення ωTL збігаються з частотами ліній раманівського спектру. Залежно від кристалічної структури спостерігалося від однієї до п'яти коливальних серій. Показано, що існування осциляторних законо¬мірностей енергій пасток зумовлене поляронною природою носіїв заряду. Запропоновано поляронну модель пасток у неорганічних кристалах та одновимірну (1D) модель пасток для органічних лінійних спряжених полімерів. У частині I статті наведено детальний опис методів термолюмінесценції для дослідження енергетичних спектрів пасток, представлено експериментальні результати та сформульовано поляронну модель пасток.

    Ключові слова: термолюмінесценція, комбінаційне розсіювання світла, полярон, коливальна регулярність

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0