nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2023-2-42-48nuc-502Research ArticleСтатьиРАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ В НАНОСТРУКТУРНЫХ КОМПАКТАХ ZrO2, ОБЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОННЫМИ И ИОННЫМИ ПУЧКАМИRADIATION DEFECTS IN ZrO2 NANOSTRUCTURAL COMPACTS IRRADIATED BY ELECTRON AND ION BEAMSДаулетбековаА. К.DauletbekovaA.

Алма Кабдиновна Даулетбекова – доктор физико-математических наук, профессор.

Астана

Astana

alma_dauletbek@mail.ruНикифоровС. В.NikiforovS.

Сергей Владимирович Никифоров - доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, заведующий учебной лабораторией УрФУ.

Екатеринбург

Yekaterinburg

s.v.nikiforov@urfu.ruАнанченкоД. В.AnanchenkoD.

Дарья Владимировна Ананченко - магистр наноэлектроники УрФУ.

Екатеринбург

Yekaterinburg

d.v.ananchenko@urfu.ruАралбаеваГ. М.AralbayevaG.

Гульнара Мырзахановна Аралбаева - PhD, и.о.доцент.

Астана

Astana

agm_555@mail.ruАхметова- АбдикГ. А.Akhmetova-AbdikG.

Гульжанат Ахметкызы Ахметова- Абдик - докторантка 3-го курса по специальности 8D05323 - Техническая физика.

Астана

Astana

gulzhanatakhmet@gmail.comНАО «Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева»КазахстанL.N. Gumilyov Eurasian National UniversityKazakhstanУральский Федеральный УниверситетРоссияUral Federal UniversityRussian Federation202306072023024348Copyright © Даулетбекова А.К., Никифоров С.В., Ананченко Д.В., Аралбаева Г.М., Ахметова- Абдик Г.А., 20232023Даулетбекова А.К., Никифоров С.В., Ананченко Д.В., Аралбаева Г.М., Ахметова- Абдик Г.А.Dauletbekova A., Nikiforov S., Ananchenko D., Aralbayeva G., Akhmetova-Abdik G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/502

Исследованы спектры термолюминесценции (ТЛ) и ЭПР наноструктурных компактов моноклинного ZrO2, облученных тремя видами облучения: импульсным потоком 130 кэВ электронов, пучком 10 МэВ электронов, а также пучком ионов 220 МэВ Xe. Облучение образцов 10 МэВ электронами и ионами приводит к образованию в них F+ центров. Термическое разрушение указанных центров наблюдается в интервале температур 375–550 К для электронно-облученных и 500–700 К для ионно-облученных компактов. Падение концентрации F+ центров связано с опустошением ловушек, ответственных за ТЛ пики в указанном температурном интервале. В образцах, облученных ионным пучком, обнаружены новые парамагнитные центры с g-факторами 1,963 и 1,986, в формировании которых, вероятно, участвуют ионы Zr3+ и кислородные вакансии., термическое разрушение происходит в интервале температур 500–873 К.

The thermoluminescence (TL) and EPR spectra of nanostructured compacts of monoclinic ZrO2 irradiated by three types of irradiation have been studied: impulse flow of 130 keV electrons, beam of 10 MeV electrons, as well as a 220 MeV Xe ion beam. Irradiation of samples with 10 MeV electrons and ions leads to the formation of F+ centers in them. Thermal destruction of these centers is observed in the temperature range 375–550 K for electron-irradiated compacts and 500– 700 K for ion-irradiated compacts. The drop in the concentration of F+ centers is associated with the depletion of traps responsible for TL peaks in the specified temperature range. In samples irradiated with an ion beam, new paramagnetic centers with g = 1.963 and 1.986 were found, in the formation of which, probably, Zr3+ ions and oxygen vacancies participate, thermal destruction occurs in the temperature range 500–873 K.

диоксид цирконияионное облучениеэлектронное облучениепарамагнитные дефектыF+ центрытермическая стабильность дефектовzirconium dioxideion irradiationelectron irradiationparamagnetic defectsF+ centersthermal stability of defectsИсследования выполнены в рамках грантового проекта AP09260057 «Люминесценция и радиационная стойкость синтезированных при различных условиях микро и наноструктурированных компактов и керамик на основе ZrO2»ReferencesSchulz, U., Leyens, C., Fritscher, K., Peters, M., Saruhan-Brings, B., Lavigne, O., Dorvaux J.-M., Poulain M., Mévrel R., Caliez, M., Some recent trends in research and technology of advanced thermal barrier coatings, Aerosp. Sci. Technol. 7(1) (2003) 73–80, https://doi.org/10.1016/S1270-9638(02)00003-2Schulz U., Leyens C., Fritscher K., Peters M., Saruhan-Brings B., Lavigne O., Dorvaux J.-M., Poulain M., Mévrel R., Caliez M. Some recent trends in research and technology of advanced thermal barrier coatings // Aerosp. Sci. Technol. – 2003. - V.7(1). – Р.73-80.Wu, J., Wei, X., Padture, N. P., Klemens, P. G., Gell, M., García, E., Miranzo P., Osendi, M. I., Low‐thermalconductivity rare‐earth zirconates for potential thermalbarrier‐coating applications, J. Am. Ceram. Soc. 85(12) (2002) 3031–3035, https://doi.org/10.1111/j.11512916.2002.tb00574.xWu J., Wei X., Padture N. P., Klemens P. G., Gell M., García E., Miranzo P., Osendi M. I. Low‐thermal‐conductivity rare‐earth zirconates for potential thermal‐barrier‐coating applications // J. Am. Ceram. Soc. – 2002. – V. 85 (12). – Р. 3031-3035.Arachi, Y., Sakai, H., Yamamoto, O., Takeda, Y., Imanishai, N., Electrical conductivity of the ZrO2–Ln2O3 (Ln=lanthanides) system, Solid State Ion. 121 (1–4) (1999) 133–139, https://doi.org/10.1016/S01672738(98)00540-2Arachi Y., Sakai H., Yamamoto O., Takeda, Y. Imanishai N. Electrical conductivity of the ZrO2–Ln2O3 (Ln= lanthanides) system // Solid State Ion. – 1999. – V.121Chen, F., Wu, Y. R., Wu, J. M., Zhu, H., Chen, S., Hua, S. B., He, Z.X., Chang, Y.L., Xiao, J., Shi, Y. S., Preparation and characterization of ZrO2-Al2O3 bioceramics by stereolithography technology for dental restorations, Addit. Manuf. 44 (2021) 102055, https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102055(1-4). -Р. 133-139.Kelly, J. R., Denry, I., Stabilized zirconia as a structural ceramic: an overview, Dent Mater. 24(3) (2008) 289-298, https://doi.org/10.1016/j.dental.2007.05.005Chen F., Wu Y. R., Wu J. M., Zhu H., Chen S., Hua S. B., He Z.X., Chang Y.L., Xiao J., Shi Y. S. Preparation and characterization of ZrO2-Al2O3 bioceramics by stereolithography technology for dental restorations // Addit. Manuf. – 2021. – V. 44. - Р. 102055.Yu, X., Marks, T. J., Facchetti, A., Metal oxides for optoelectronic applications, Nat. Mater. 15(4) (2016) 383– 396, https://doi.org/10.1038/nmat4599Kelly J. R., Denry I. Stabilized zirconia as a structural ceramic: an overview // Dent Mater. – 2008. – V. 24 (3). – Р. 289-298.Buzynin, A. N., Grishina, T. N., Kiselyov, T. V., Kosuhina, L. A., Kravchenko, N. V., Lomonova, E. E., Panov, V.A., Sidorov, M.S., Trishenkov, M. A., Filachev, A.M., Zirconia-based solid solutions – New materials of photoelectronics, Opt. Mem. Neural Netw. 18(4) (2009) 312–321, https://doi.org/10.3103/S1060992X09040109Yu X., Marks T. J., Facchetti A. Metal oxides for optoelectronic applications // Nat. Mater. – 2016. -V. 15 (4). – Р. 383-396.Costantini, J. M., Beuneu, F., Threshold displacement energy in yttria‐stabilized zirconia, Phys. Status Solidi c 4(3) (2007) 1258–1263, https://doi.org/10.1002/pssc.200673752Buzynin A. N., Grishina T. N., Kiselyov T. V., Kosuhina L. A., Kravchenko N. V., Lomonova E. E. Panov, V.A. Sidorov, M.S. TrishenkovEvans, B. D., Pogatshnik, G. J., Chen, Y., Optical properties of lattice defects in α-Al2O3, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 91(1-4) (1994) 258–262, https://doi.org/10.1016/0168-583X(94)96227-8M. A., Filachev A.M. Zirconia-based solid solutions - New materials of photoelectronics // Opt. Mem. Neural Netw. -2009. -V. 18(4). - Р.312-321Monge, M. A., Gonzalez, R., Santiuste, J. M., Pareja, R., Chen, Y., Kotomin, E. A., Popov, A. I., Photoconversion and dynamic hole recycling process in anion vacancies in neutron-irradiated MgO crystals, Phys. Rev. B 60(6) (1999) 3787, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.60.3787Costantini J. M., Beuneu F. Threshold displacement energy in yttria‐stabilized zirconia // Phys. Status Solidi. – 2007. – V. 4(3). - Р. 1258-1263Zhao, Q., Wang, X., Cai, T., The study of surface properties of ZrO2, Appl. Surf. Sci. 225(1–4) (2004) 7–13, https://doi.org/10.1016/S0169-4332(03)00832-8Evans B. D., Pogatshnik G. J., Chen Y. Optical properties of lattice defects in α-Al2O3 // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. – 1994. - V. 91(1-4). – Р. 258-262.Lokesha, H. S., Chithambo, M. L., A combined study of the thermoluminescence and electron paramagnetic resonance of point defects in ZrO2: Er3+, Radiat. Phys. Chem. 172 (2020) 108767, https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2020.108767Monge M. A., Gonzalez R., Santiuste J. M., Pareja R., Chen Y., Kotomin E. A., Popov A. I. Photoconversion and dynamic hole recycling process in anion vacancies in neutron-irradiated MgO crystals // Phys. Rev. – 1999. – V. 60(6). – Р. 3787.Gionco, C., Paganini, M. C., Giamello, E., Burgess, R., Di Valentin, C., Pacchioni, G., Paramagnetic defects in polycrystalline zirconia: an EPR and DFT study, Chem. Mater. 25(11) (2013) 2243–2253, https://doi.org/10.1021/cm400728jZhao Q., Wang X., Cai T. The study of surface properties of ZrO2 // Appl. Surf. Sci. – 2004. – V. 225(1-4). – Р. 7-13.Costantini, J. M., Beuneu, F., Gourier, D., Trautmann, C., Calas, G., Toulemonde, M., Colour centre production in yttria-stabilized zirconia by swift charged particle irradiations, J. Phys. Condens. Matter 16(23) (2004) 3957, https://doi.org/10.1088/0953-8984/16/23/014Lokesha H. S., Chithambo M. L. A combined study of the thermoluminescence and electron paramagnetic resonance of point defects in ZrO2: Er3+ // Radiat. Phys. Chem. – 2020. – V. 172. – Р. 108767.Orera, V. M., Merino, R. I., Chen, Y., Cases, R., Alonso, P. J., Intrinsic electron and hole defects in stabilized zirconia single crystals, Phys. Rev. B 42(16) (1990) 9782, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.42.9782Gionco C., Paganini M. C., Giamello E., Burgess R., Di Valentin C., Pacchioni G. Paramagnetic defects in polycrystalline zirconia: an EPR and DFT study // Chem. Mater. – 2013. – V. 25(11). – Р. 2243-2253.Nikiforov, S. V., Kortov, V. S., Kazantseva, M. G., Petrovykh, K. A., Luminescent properties of monoclinic zirconium oxide, J. Lumin. 166 (2015) 111–116, https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.05.021Costantini J. M., Beuneu F., Gourier D., Trautmann C., Calas G., Toulemonde M. Colour centre production in yttria-stabilized zirconia by swift charged particle irradiations // J. Phys. Condens. Matter. – 2004. – V.16(23). – Р.3957.Nikiforov, S. V., Kortov, V. S., Savushkin, D. L., Vokhmintsev, A. S., Weinstein, I. A. Thermal quenching of luminescence in nanostructured monoclinic zirconium dioxide, Radiat. Meas. 106 (2017) 155–160, https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2017.03.020Orera V. M., Merino R. I., Chen Y., Cases R., Alonso P. J. Intrinsic electron and hole defects in stabilized zirconia single crystals // Phys. Rev. – 1990. - V 42(16). – Р. 9782.Marfin, A. Y., Nikiforov, S. V., Ananchenko, D. V., Zyryanov, S. S., Yakovlev, G. A., Denisov, E. I., Thermoluminescence of monoclinic ZrO2 after electron irradiation, AIP Conf. Proc. 2466 (1) (2022) 030012, https://doi.org/10.1063/5.0088867Nikiforov S. V., Kortov V. S., Kazantseva M. G., Petrovykh K. A. Luminescent properties of monoclinic zirconium oxide // J. Lumin. – 2015. – V. 166. – Р. 111-116.Nikiforov, S. V., Menshenina, A. A., Konev, S. F., The influence of intrinsic and impurity defects on the luminescent properties of zirconia, J. Lumin. 212 (2019) 219–226, https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.03.062Nikiforov S. V., Kortov V. S., Savushkin D. L., Vokhmintsev A. S., Weinstein I. A. Thermal quenching of luminescence in nanostructured monoclinic zirconium dioxide // Radiat. Meas. – 2017. – V. 106. – Р. 155-160.Marfin A. Y., Nikiforov S. V., Ananchenko D. V., Zyryanov S. S., Yakovlev G. A., Denisov E. I. Thermoluminescence of monoclinic ZrO2 after electron irradiation // AIP Conf. Proc. – 2022. – V. 2466. – Р. 030012Marfin A. Y., Nikiforov S. V., Ananchenko D. V., Zyryanov S. S., Yakovlev G. A., Denisov E. I. Thermoluminescence of monoclinic ZrO2 after electron irradiation // AIP Conf. Proc. – 2022. – V. 2466. – Р. 030012Nikiforov S. V., Menshenina A. A., Konev S. F. The influence of intrinsic and impurity defects on the luminescent properties of zirconia // J. Lumin. – 2019. – V. 212. -Р. 219-226.Nikiforov S. V., Menshenina A. A., Konev S. F. The influence of intrinsic and impurity defects on the luminescent properties of zirconia // J. Lumin. – 2019. – V. 212. -Р. 219-226.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.