Николай Юшкин - Оптический флюорит

В природных кристаллах флюорита обычно наблюдаются сложные центры окраски, представляющие собой агрегаты из двух, трех и четырех примыкающих друг к другу элементарных F-центров. Соответственно они обозначаются: F 2-, F 3- и F 4-центры или М (F 2-центр), R 1и R 2(F 3-центр), N (F 4-центр). В природных условиях образованию F-агрегатных центров способствует диффузия дефектов решетки с их последующей агрегацией в процессе роста и дальнейшего существования кристалла в изменяющихся температурных и радиационных полях. Такие сложные центры наиболее устойчивы к термическому обесцвечиванию. Они в противоположность простым F-центрам, как бы пройдя «естественный отбор», чаще наблюдаются в природных кристаллах.

Описанные центры окраски во флюорите являются по своей природе электронными. Кроме них, существуют дырочные центры окраски, которые отождествляются с ионами фтора, утратившими электрон, — F 0. Эти центры устойчивы только при низких температурах.

Кроме электронно-дырочных центров, в объяснении окраски флюорита определенную роль играют примесные дефекты. Это прежде всего дефекты, связанные с внедрением ионов редкоземельных элементов в структуру флюорита. Причем роль двух- и трехвалентных ионов в окраске существенно различна в силу специфических особенностей их энергетического состояния. В спектрах CaF 2— TR 3+полосы поглощения, соответствующие (f—d)-переходам в пределах внутренней, защищенной от внешних влияний оболочки, попадают в далекую, за пределами видимой, УФ-область спектра. В видимой и прилегающей к ней части спектры TR 3+-ионов, обусловленные (f—f)-переходами, имеют линейчатый характер, т. е. состоят из серии очень узких линий. Поэтому влияние ионов TR 3+на цвет флюорита практически исключается, тем более что концентрация редкоземельных элементов, а следовательно, и интенсивность полос поглощения незначительные.

Рис. 5. Спектр поглощения (1) и люминесценции (2) кристалла флюорита зеленой окраски

1 — при комнатной температуре; 2 — при —160° С

Рис. 6. Кривая термолюминесценции флюорита с полосами излучения на различных центрах

По-другому проявляют себя ионы TR 2+. Они имеют широкие интенсивные полосы поглощения, соответствующие ( f—d )-переходам и расположенные в видимой и ближней УФ-области спектра. Узкие слабые полосы ( f—f )-переходов полностью перекрываются первыми, и поэтому окраска целиком определяется широкими полосами поглощения TR 2+.

Наиболее значительное влияние на окраску флюорита оказывают Sm 2+, Eu 2+, Dy 2+, Yb 2+. Полосы поглощения других TR 2+-ионов располагаются в ИК-области спектра.

П. П. Феофиловым [1956] было показано, что зеленая окраска кристаллов флюорита обусловлена двухвалентным самарием. В видимой области спектра у кристаллов CaF 2—Sm 2+фиксируются две интенсивные полосы поглощения: ~425 и ~630 нм (рис. 5). В определенных условиях ионы могут переходить из одного валентного состояния в другое, вызывая тем самым изменение окраски кристалла. На этом основано окрашивание кристаллов с помощью γ-облучения и, наоборот, их обесцвечивание при нагревании.

Значительное влияние на оптические свойства флюорита оказывает присутствие кислорода в его структуре. Кислородсодержащие кристаллы имеют интенсивное поглощение начиная с 200—220 нм, поэтому непригодны для изготовления оптических деталей к приборам, предназначенным для вакуумной УФ-области. При этом O 2-, внедряясь в структуру, размещается в ближайшем к TR 3+узле анионной подрешетки, представляя собой одиночный ион или образуя диполи с анионными вакансиями V F. С присутствием таких ассоциированных пар О 2-—2V Fсвязаны появление красно-фиолетовой окраски и пурпурно-красная люминесценция облученных кристаллов флюорита. 2V F-центры такого типа называются «красными» М-центрами. Во флюорите П. Л. Смолянским были установлены и «синие» М-центры, связанные с присутствием Na +.

Одним из широко известных свойств флюорита является люминесценция, природа которой также связана с дефектами его структуры. Явление люминесценции известно с древнейших времен. Еще Плиний Старший (23— 79 гг.) в легенде о светящихся в темноте камнях упоминает об «огненном хризолампсисе». Видимо, речь здесь шла именно о флюорите. Со второй половины XVII в. природа люминесценции флюорита уже рассматривалась в научной литературе. Еще до недавнего времени считалось, что люминесценция является чуть ли не неотъемлемым свойством флюорита, однако сейчас известно, что есть природные и искусственно созданные кристаллы флюорита, которые не имеют люминесценции. Это кристаллы высокой степени чистоты, практически свободные от дефектов. Люминесценция может возникать под воздействием различных причин: при фотовозбуждении (фотолюминесценция), при возбуждении катодными (катодолюминесценция) и рентгеновскими (рентгенолюминесценция) лучами, при нагревании (термолюминесценция), трении (триболюминесценция) и т. д.

Фотолюминесценция.Наиболее характерным видом свечения флюорита при фотовозбуждении является синефиолетовая люминесценция. Она возникает при облучении ультрафиолетовыми лучами с длиной волны γ=365 нм и объясняется присутствием во флюорите Eu 2+. Спектр излучения Eu 2+состоит из четко выраженной полосы в фиолетовой области спектра (~430 нм). При температуре жидкого азота (77K) разгорается желто-зеленая люминесценция с максимумом в области 570 нм, обусловленная примесью Yb 2+. Если возбуждение проводить длиной волны 400 нм, то обнаруживается красная люминесценция, вызванная присутствием Sm 2+. Такое поведение связано с особенностями характеристических спектров поглощения этих ионов.

В спектрах фотолюминесценции были отмечены линии излучения и трехвалентных ионов — Sm 3+, Dy 3+, Tb 3+, Er 3+, наблюдаемые в видимой области спектра.

Рентгенолюминесценция.Очень интересным явлением, связанным с примесями редкоземельных элементов, является рентгенолюминесценция флюорита. Рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью и значительно большей энергией кванта по сравнению со световыми лучами. Люминесценция возникает при переходах между электронными уровнями внутренних оболочек атомов в кристалле, тогда как фотолюминесценция — при переходах между уровнями внешних электронов. В связи с этим в спектрах рентгенолюминесценции появляются дополнительные линии по сравнению с оптическим возбуждением.

По спектрам рентгенолюминесценции удалось идентифицировать как центры на собственных дефектах решетки флюорита, так и примесные ионы, изоморфно входящие в структуру [Таращан, 1978; Красильщикова и др., 1981]. У кристаллов флюорита с невысоким содержанием редкоземельных элементов, порядка тысячных долей процента, в спектрах рентгенолюминесценции линии их излучения весьма слабы. Основные полосы излучения наблюдаются в УФ-области около 280 нм (дырочный V R-центр) и на границе видимой и ИК-области с максимумом 750 нм (дырочный F 2 --центр). В спектрах рентгенолюминесценции флюорита, обогащенного примесями редкоземельных элементов, в зависимости от количественного соотношения различных ионов, от формы их вхождения, способа локальной компенсации заряда, симметрии центра наблюдаются различные комбинации линий излучения этих центров. По спектрам рентгенолюминесценции были зафиксированы полосы излучения на Mn 2+, а также центры на ионах TR с различной зарядовой компенсацией — кислородной (тригональные центры Dy 3+—O 2-; Sm 3+—O 2-; Er 3+—O 2-), натриевой (ромбические для Er 3+), фторовой (тетрагональные для Er 3+). Расшифровка спектров рентгенолюминесценции флюорита весьма сложна, особенно для природных образцов, характеризующихся различными наборами примесей, сложными физико-химическими и температурными условиями образования.