Способ определения степени совершенства кристаллической структуры диэлектриков

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) (Н) 440 Ш 6 01 М 24 10 БРЕТЕН ПИСА ЛЬСТ л,27И. В. Матяш,Л. В. Бершовхимии и физики миССР и Институтаинской ССР088.8)е свидетельство СС01 М 24/08, 1079.свидетельство СССб 01 М 24/10, 197 нералов полупроИЯ СТЕ- ТАЛЛИТРИКОВ, электрон- образца, расширеалов при ДЕЛЕН КРИ ЭЛЕК ектров нанса целью матер8 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВ(71) Институт геоАН Украинскойводников АН Укр(54) (57) СПОСОБ ОПРЕ ПЕНИ СОВЕРШЕНСТВА ЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ДИ включащий регистрацию сп ного парамагнитного резо отличающийся тем, что, с ния диапазона исследуемыхУ(Е) одновременном упрощении процесса исследований и повышения точности, проводятвторичную регистрацию спектров электронного парамагнитного резонанса при воздействии на образец внешним электрическимполем, напряженность Е которого должнаудовлетворять условию-- =0,6,где К в . постоянная Больцмана;Т - температура кристалла;с - дипольный момент,и по изменению интенсивности сигналовэлектронного парамагнитного резонанса,по сравнению с интенсивностью сигналовэлектронного парамагнитного резонансапри Е =О, находят Ь 0 - ширину функциираспределения внутренних электрическихполей, по которой из соотношения Е,р -- ф - еопределяют величину напряженности среднего внутреннего электрического поля Еер,которая характеризует степень совершенст- еаавва кристаллической структуры образца.Изобретение относится к электронной радиоспектроскопии, а именно к способам контроля степени совершенства кристаллической структуры диэлектриков, в частности - кварца, содержащих парамагнитные центры, с которыми связан электрический дипольный момент.Это центры типа: парамагнитный центр- примесь, парамагнитный центр - вакансия, ян-теллеровские центры, нецентральные ионы, молекулярные центры с дипольным моментом и другие парамагнитные примеси с ориентационным вырождением.Достаточно широкое распространение при решении указанных задач имеют методы, основанные на радиоспектроскопических исследованиях: метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).Известен способ контроля примесей в некубических кристаллах, позволяющий судить о дефектности кристаллов по изменению интенсивности сигналов ЯМР 1.Однако способ применим для исследования лишь тех материалов, магнитные ядра которых имеют квадрупольный момент, что значительно сужает границы применения метода. Так, например, кварц, исследование кристаллической структуры которого имеет важное практическое значение, указанным методом исследован быть не может.Более простым в реализации и одновременно достаточно информативными являются способы исследования кристаллической структуры, основанные на использовании электронного парамагнитного резонанса.В указанных способах используется явление сдвига резонансных частот парамагнитных центров под влиянием внутренних электрических полей, порожденных точечными дефектами и дислокациями. Это ведет к уширению линий ЭПР и соответственно к уменьшению их интенсивности, что используется при оценках дефектности кристаллов.Наиболее близким к изобретению является способ определения степени совершенства кристаллической структуры диэлектриков, включающий регистрацию спектров электронного парамагнитного резонанса исследуемого образца 2.К недостаткам известного способа следует отнести то, что он применим лишь к объектам, характеризующимся наличием парамагнитных центров со спином больше 1/2, в спектрах которых проявляется так называемая тонкая структура и параметры спин-гамильтониана которых зависят от внутренних электрических полей, порожденных дефектами структуры.где Однако во многих веществах, в частности в кварце, такие спектры, как правило,отсутствуют. Кроме того, необходимостьмногократной переориентации образца впроцессе исследований усложняет реализующее способ оборудование и связано сцелым рядом практических трудностей инеудобств.Точность этого метода также невысока,так как необходима многократная записьспектров ЭПР и, кроме того, в уширениелийий могут вносить заметный вклад механизмц, не связанные с внутренними электрическими полями, порожденными дефектамиструктур ы.15Цель изобретения - расширение диапазона исследуемых материалов при одновременном упрощении процесса исследованийи повышении точности.Поставленная цель достигается тем, что20 согласно способу определения степени совершенства кристаллической структуры диэлектриков, включающему регистрацию спектров электронного парамагнитного резонанса образца, проводят вторичную регистрацию спектров электронного парамагнитного резонанса при воздействии на образецвнешним электрическим полем, напряженность Е которого должна удовлетворятьусловию2 к т =0,6,30 к - постоянная Больцмана;Т - температура кристалла;с - дипольный момент,и по изменению интенсивности сигналовэлектронного парамагнитного резонанса,по сравнению с интенсивностью сигналов35 электронного парамагнитного резонансапри Е =О, находят Ло . - ширину функциираспределения внутренних электрическихполей, по которой из соотношения Еср=-определяют величину напряженности сред 40 него внутреннего электрического поля Еср,которая характеризует степень совершенства кристаллической структуры образца.На чертеже представлена калибровочная кривая, позволяющая определить степень совершенства структуры диэлектри 45 ко в.Прикладываемое внешнее электрическое поле может быть как постоянным, такн переменным. Последнее целесообразноиспользовать при исследовании таких объектов, в которых реализуется релаксационный магнитоэлектрический эффект и имеетместо квазистационарный рост намагниченности спиновой системы.Напряженность внешнего электрического поля Е выбирается из следующих со 55 ображений. Изменение сигналов ЭПР электрическим полем определяется степеньюлокализации царамагнитных центров в одной из структурных позиций, При этом сте1104403 Составитель В. Крутских Редактор А. Шандор Техред И. Верес Корректор А. Ильин Заказ 5025/30 Техираж 823 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4пень локализации возрастает при увеличении энергии 1 Е и уменьшается с ростом 2 кТ,Экспериментальные исследования и расчеты интенсивности сигналов ЭПР от поля Е позволяют установить, что оптимальные значения Е для определения степени совершенства кристаллов следует выбирать и . условияЕПри уменьшении - Я- величина изменения сигнала ЭПР полем Е уменьшается, что снижает точность метсдг, а при больших значениях -- . зависимость инКтенсивности сигнала ЭПР от электрического поля выходит на полку, что также снижает точность метода,В соответствии с вышеуказанным, предлагаемый способ предусматривает двукратное получение спектров ЭПР образца: без внешнего электрического поля и в присутствии такового.Анализируя затем величину появляющегося в присутствии внешнего поля изменения интенсивности спектров ЭПР и в сравнении с их интенсивностью при отсутствующем поле можно судить о наличии порождаемых дефектами структуры хаотических электрических полей, а, следовательно, о степени совершенства структуры.Пи этом целесообразно использовать калибровочную кривую, показанную на чертеже, соответствующую исследованиям в присутствии постоянного внешнего электрического поля. По оси ординат отложены значения отношения интенсивности сигналов ЭПР в присутствии внешнего поля Ч(Е) к их интенсивности при отсутствующем поле - Чо., а по оси абсцисс - значение -- характеризующее степень декТфектности структуры исследуемого образца.Приведенная калибровочная кривая может быть получена расчетным путем, Эта же калибровочная кривая может быть получена и экспериментальным путем, если степень дефектности кристалла изучена каким- либо другим методом, например методом параэлектрического резонанса. Ниже приведены примеры практической реализации предлагаемого способа на материале исследований кристаллов синтетического и природного кварца.Исследованиям подвергаются образец синтетического кварца (образец 1), природного дымчатого кварца (образец 2) и природного кварца из так называемых морионов (образец 3), которые характеризуются значительной степенью дефектности. Концентрация центров А 1-0 - в исследованных образцах становит порядка 10 см з Исследования проводятся в трехсантиметровом диапазоне волн с помощью обычной методики получения спектров ЭПР.При вторичном получении спектров кобразцам прикладывают внешнее электрикЪческое поле напряженностью Е =4 о - , -Для исследования образцов 1, 2 и 3значения - , - , составляют соответственночю20 1,65, 1,45 и 1,35 в постоянном электрическом поле. Находя соответствующие точкина калибровочной кривой, изображеннойна чертеже, и проецируя их на осьЬонаходим показатели дефектности структурыДо(точки 1, 2 и 3 на оси - , - , - ).Как видно на чертеже, эти значения темвыше, чем менее совершенная кристаллическая структура образца, и равны соответственно 0,47; 1, 2 и 1,9. Среднее внутреннее электрическое поле, порожденное де фектами кристаллической структуры - Есьможно оценить исходя из выражения Ьо==1 Еср Тогда, с учетом определенных на опытезначений - 9 - значение Еср, которое характеризует степень дефектности кристалла, для образцов 1, 2 и 3 оказывается равным 16, 42 и 66 - м.Таким образом, предлагаемый способопределения степени совершенства кристал лической структуры диэлектриков позволяетсущественно повысить точность способа, получить количественную информацию о совершенстве структуры исследуемого материала и отличается при этом простотой и оперативностью.