Структурные и оптические свойства рутила (TiO2), имплантированного 3d- или 4f-ионами переходных металлов

Abstract

40 кэВ ионы V+, Cr+, Co+ и 20 кэВ ионы Er+ были имплантированы в монокристаллические (001)-ориентированные пластинки диоксида титана структуры рутила (TiO2) с дозами в диапазоне (0.2-1.5)×10 17 ион/см2 при повышенной температуре подложки (900 К) во время ионного облучения. Проведены расчеты глубинных профилей распределения ионов в матрице TiO2 с учетом распыления подложки и их сравнение с экспериментальными профилями, полученными методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Представлены оптические спектры пропускания и отражения имплантированных образцов как до, так и после термического отжига на воздухе при 900 К. Рассчитанные глубинные профили распределения эрбия, практически, совпадают с экспериментальными, а профили ванадия, хрома и кобальта сильно различаются вследствие быстрой диффузии 3d-примеси вдоль структурных каналов в рутиле во время облучения. В случае кобальта, наблюдается следы примеси даже на обратной (не имплантированной стороне) пластинки TiO2. После имплантации эрбия пластинка TiO2 окрашивается в голубой цвет из-за высокого содержания кислородных вакансий. После высокодозной имплантации 3d-ионов образцы TiO2 приобретают серый цвет из-за высокого содержания внедренного металла и радиационного повреждения оксидной матрицы. Последующий отжиг на воздухе восстанавливает матрицу TiO2 и приводит к изменению цвета образцов на бесцветный (эрбий), оранжевый (ванадий или кобальт) или светло-зеленый (хром), что указывает на присутствие ионов V5+, Co2+ или Cr3+ в TiO2 матрице.