Структурные, оптические и ЭПР исследования голубого корунда, окрашенного имплантацией ионов кобальта

Abstract

Монокристаллические пластинки бесцветного корунда (AI2O3) были облучены 40 кэВ Со+ ионами с дозой 2.0 х1017 ион/см2. Ионная имплантация вызывает потемнение и потерю прозрачности пластин, что связано с их радиационным повреждением, а также преципитацию имплантированной примеси в облученном слое в форме наночастиц металлического кобальта. Последующий термический отжиг в атмосфере воздуха ведет к восстановлению структуры и изменению цвета приповерхностного слоя корунда либо к серо-зеленым тонам при Tотж=800 0C, либо к небесно-голубой окраске при Тотж > 950 0C. Элементный анализ указывает на то, что значительная часть имплантированной примеси кобальта покидает матрицу корунда во время отжига. Оптические исследования синтезированного голубого корунда показывают, что наведенная в нем окраска связана с появлением зоны поглощения света с пиком при 620 нм, характерной для ионов Со2+, локализованных в тетраэдрической узлах решетки. В ЭПР спектрах голубых образцов наблюдается узкая линия резонанса с анизотропным g-фактором и разрешенной сверхтонкой структурой, предполагая что парамагнитные ионами Со2+ находятся в аксиальном кристаллическом поле с осью параллельной кристаллографической оси с матрицы корунда. Анализ рентгеновской дифракции указывает на формирование в образцах корунда новой кристаллической фазы шпинели (CoAI2O4), эпитаксиальный рост которой происходит во время термического отжига и обуславливает голубую окраску.