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Smooth pyroelectric luminescence in lithium niobate, beta barium borate and barium titanate.

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Swaisi, Mohamed (2021). Smooth pyroelectric luminescence in lithium niobate, beta barium borate and barium titanate. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 170 p.

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Résumé

La luminescence thermostimulée, et sa généralisation correspondante à la luminescence pyroélectrique, nous permet de caractériser une grande variété de cristaux diélectriques. Nous exposons les cristaux pyroélectriques à de faibles pressions ambiantes (jusqu'à 10⁻⁷ mbar) et à des cycles de température, qui génèrent des schémas très spécifiques d'émission de lumière. Le vide très poussé empêche les décharges électrostatiques, ce qui permet la génération de champs électriques très élevés (~10⁷ V/m) dus à l'effet pyroélectrique. Cela induit une faible émission de lumière caractéristique pendant la durée du changement de température. En plus des décharges en forme d'étincelles, nous observons des pics d'émission faibles et continus connus sous le nom de luminescence pyroélectrique lisse. Ce phénomène est dû à la recombinaison des porteurs de charge à l'intérieur du cristal, contrairement aux émissions en forme de pointes bien connues dues aux décharges dans l'atmosphère ambiante. Un cas particulier d'émission particulièrement prononcée se produit pendant la transition de phase à l'intérieur du cristal. Nous développons un modèle microscopique de la luminescence qui permet la description de la luminescence pyroélectrique en fonction du temps, en particulier la détermination des potentiels de pièges profonds qui sont autrement inaccessibles à l'activation thermique. En utilisant ce modèle, nous montrons que le comportement de cette émission dans les cristaux est cohérent avec la libération des électrons piégés par émission de Poole-Frenkel et par effet tunnel de Fowler-Nordheim. Nous pouvons distinguer les deux mécanismes d'émission par la plausibilité physique des paramètres dérivés. Les expériences portent sur des monocristaux de LiNbO₃, BaB₂O₄ et BaTiO₃. Notre modèle fournit les fréquences et les énergies d'activation des porteurs de charge piégés comme base de ce mécanisme de conduction, expliquant qualitativement la luminescence observée. Ce résultat fournit également des informations sur la quantité relative de pièges dans le cristal.

The phenomenon known as thermostimulated luminescence, and its corresponding generalization to pyroelectric luminescence allows us to characterize material characteristics in a large variety of dielectric crystals. We expose pyroelectric crystals to low ambient pressures (down to 10⁻⁷ mbar) and temperature cycles, which generate very specific patterns of light emission. The very high vacuum prevent electrostatic discharge, which allows the generation of very high electric fields (~10⁷ V/m) due to the pyroelectric effect. This induces a characteristic, faint emission of light during the duration of the temperature change. Besides spark-like discharges, we observe faint, continuous emission peaks known as smooth pyroelectric luminescence. This phenomenon is brought about by charge carrier recombination inside the crystal, in contrast to the well know spike-like emissions due to discharges through the ambient atmosphere. A special case of especially pronounced emission occurs during the phase transition within the crystal. We develop a microscopic model of the luminescence allows the description of the time dependent pyroelectric luminescence, in particular the determination of deep trap potentials that are otherwise inaccessible to thermal activation. Using this model, we show that the behavior of this emission in crystals is consistent with the release of trapped electrons by Poole-Frenkel emission and Fowler-Nordheim tunneling. We can distinguish between the two emission mechanisms by the physical plausibility of derived parameters. The experiments focus on LiNbO₃, BaB₂O₄, and BaTiO₃ single crystals. Our model provides the frequencies and activation energies of trapped charge carriers as the basis of this conduction mechanism, qualitatively accounting for the observed luminescence. This results also provides information on the relative amount of traps within the crystal.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Ruediger, Andreas
Mots-clés libres: luminescence; pyroélectricité; effet poole-frenkel; effet tunnel Fowler-Nordheim; pyroelectricity; poole-frenkel effect; fowler-nordheim tunnelin
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 19 nov. 2021 14:26
Dernière modification: 02 août 2022 15:46
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12065

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