Способ исследования структурных параметров и свойств парамагнитных материалов

ДВй АНИЕ И Я иным эл ющи и ст елью увеличения чу ределенни сниновых ся тем,что,с вительности прн о сационных характ го электрического ют соотношением лакристик, часто перем опред нн ля.(О )ь 1. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ВТОРСХОМУ СВ(71) Институт геохимии и физики минераловАН Украинской ССР и Институт полупроводников АН Украинской ССР(56) 1. Пул Ч. Техника ЭПР-спектроскопии. М., "Мир", 1970, с, 210 - 214.2. Брик А. Б. Сб увеличении намагни. ченности парамагнетика переменным электрическим полем. - ЖЭТФ, т. 79, вып, 5(11), 1980, с, 1902 - 1906 (прототип).(54) (57) 1. СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ И СВОЙСТВ ПАРАМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержа. щих дефекты с электрическим дипольным моментом, методом электронного парамагнитного резонанса с дополнительным воздейтвнем низкочастотным переме рическим полем, о т л и ч а где ь - время дипольнои релаксации, а усиление и детектирование сигналов электронного парамагнитного резонанса проводят начастоте, кратной частоте переменного электрического поля,2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что усиление и детектирование сигналов электронного парамагнитного1резонанса проводят на частоте, равной удвоенной частоте переменного электрическогополя,1133522 45 1 И = 4 + 8) "д т 50 55 1Изобретение относится к магнитной радиоспектроскопии и может быль использо. вано для исследования структурных парамет. ров и свойств парамагнитных материалов с дефектами, обладающими электрическим дипольным моментом.Известен способ исследования парамагнитных материалов методом электронного па. рамагнитного резонанса (ЭПР), включающий воздействие на исследуемый образец посто. 10 янным магнитным полем и перпендикуляр ным ему СВЧ-магнитным полем, промодули. рованным по амплитуде, с последующим усилением и детектированием ЭПР-сигнала начастоте модуляции 1 И. 15Недостатком способа является сложность 1получения высокостабильной амплитуды модуляции источника СВЧ-поля и ввиду этого низкая чувствительность.Известен также способ исследования парамагнитных материалов, обладающих дефектами с электрическим дипольным мо. ментом, методом ЭПР с дополнительным воздействием на исследуемый образец низкочастотным переменным электрическим 25 полем, что приводит к увеличению сигнала ЭПР, регистрируемого на частоте модуляциимагнитного поля 2).Однако известному способу присущи недостаточно высокая чувствительность, а также необходимость нахождения оптимального значения частоты переменного электри. ческого поля дпя каждого образца.Целью изобретения является повышение чувствительности способа при определенииспиновых релаксационных характеристик,Поставленная цель достигается тем, что согласно способу исследования структурных параметров и свойств парамагнитных материалов, содержащих дефекты с электрическим дипольным моментом, методом ЭПР с дополнительным воздействием низкочастотным переменным электрическим полем, частоту этого поляопределяют соот- ношением гдето - время дипольной релаксации, аусиление и детектирование сигналов ЭПРпроводят на частоте, кратной частоте переменного электрического поля,Причем усиление и детектирование сигналов ЭПР проводят на частоте, равной удвоенной частоте переменного электрическогополя,На фиг, 1 представлен ЭБР.спектрометр,с помощью которого реализуется способ;на фиг, 2 - спектры ЭПР. ЭПР-спектрометр содержит источник 1 СВЧ-колебаний, резонатор 2 с образцом, СВЧ-детекторы 3, электромагнит 4, усилитель 5, синхронный детектор 6, самописец 7, ге нератор 8 опорного напряжения, высоковольтный трансформатор 9, умножитель 10 частоты с переключателем П, фазовращатель 11, генератор 12 опорного напряжения, Модуляционные катушки 13.При воздействии на образец, в котором парамагнитные дефекты обладают существен. ным электрическим дипольным моментом (характерными дефектами такого рода яв. ляются дефекты типа "парамагнитный центр- примесь", например центрый -0 в 50 электронные центры в И 0 и РеО или "парамагнитный центр - вакансия", например Мп в Часа и С,дв СЙГ ), переменным электрическим полем указанной частоты релаксационные процессы в спиновой и электродипольной системе образца приводят к периодическому изменению разности заселенностей энергетических уровней этой системы и, как следствие, к увеличению сиг. нала поглощения подводимой СВЧ-мощности.В качестве примера осуществления способа можно привести исследование образцов кварца, содержащих центры АР-О, изготовленные в виде прямоугольников 4 х 8 мм при толщине 1 - 2 мм. Для введения поля. в об. разец на последний наносят слои графита, связанные с двумя электрическими контактами. Для этой же цели можно использовать вмонтированный в СВЧ-резонатор 2 конден. сатор, образованный двумя прозрачными для СВЧ-колебаний пластинками (из слюды), на которые нанесены графитовые электроды. Применяемые СВЧ.колебания относятся к типу Нец . Длительность полупериода вводи. мого в образец переменного электрического поля должна быть больше времени дипольной релаксации "1, что необходимо для обеспечения возможности реориентации электрических диполей в переменном электрическом поле. Фактически для получения нормальных сигналов ЭПР частоту переменного элект. рического поля следует выбирать исходя из выражения 1(1 = (4 - 8) Г, . Использование частоты, существенно отличающейся от указанных пределов, не целесообразно; даль нейшее уменьшение длительности полупериода ведет к ослаблению сигнала,.так как диполи не успевают реориентироваться, а дальнейшее увеличение - к росту шумов при неизменном (не возрастающем более) сигнале,В данном случае на образец воздействуют ,полем с частотой 200 Гц. Поскольку для исследования образцов с - 10с, то - = 2,5 ,1Т г3 11Величина (1 может быть оценена для каждого исследуемого материала исходя из обычных ЭПР измерений, при включении ы выключении электрического поля, а также с помощью независимых измерений (по днэлект.рическим потерям, с помошью термоэмиссионных токов и т.д.).Напряженность используемого электричес.кого поля выбирают исходя из условия,что энергия электрических диполей в электрическом поле 3 Е должна быть большеэнергии магнитных диполей (спинов) во1. ,нвнешнем магнитном поле 0, т,еЕсли величина электрического диполя3 ф.1 дебай, а наблюдение спектров ЭПРпроисходит в СВЧ.диапазоне, то упомяну.кВтое условие удовлетворяется уже при Е = 19 --смВерхний предел напряженности поля ограничивается только пробоем исследуемогообразца, либо иными, чисто техническимифакторами. В данном случае для исследования образцов используют поле напряженностью кВсмВ результате воздействия на образцы,Ц 0 постоянным магнитным полем, СВЧмагнитным полем и переменным электрическим полем с укаэанными параметрами .получают спектры ЭПР, приведенные нафиг, 2 ( а - с использованием известно. го способа, ц - с использованием предлагаемого способа; усиление и синхронноедетектирование проведено на частоте пере.менного электрического поля),При сопоставлении спектров а и 8становятся очевидными преимущества предлагаемого способа. Так, соотношение сигнал - шум (чувствительность) спектра опо сравнению со спектром а возрастаетпримерно в 20 раэ. При этом сигналыЭПР от спинов, локализованных на различных ионах кислорода, назовем их "1" и2", пишутся в разные стороны от нулевой линии, Это существенно упрощает расшифровку и идентификацию спектров ЭПР,33522 4так как позволяет сразу и однозначноразделять линии ЭПР, относящиеся к .раэ.личным структурным позициям.Кроме того, в предлагаемом способе сиг.палы ЭПР регистрируются непосредственнов виде линии ноглощення, а не в видеее производной, как в известном способе.На фиг. 2 изображен спектр ЭПР, полученный в результате усиления и синхронногодетектирования на частоте, равной удвоенной частоте переменного электрического по.ля (Я . Из соотношения интенсивностейсигналов спектров 3 и 1 несложно найтисоотношение между вероятностями релаксационных дипольных переходов без персориентации электронного спина к вероят.ностям этих же переходов с переорыентацией спина электрона, В свою очередь этадополнительная информация указывает навеличину отклонения оси квантования спинов, локализованных на ионе кислорода "1"от направления этой оси для спинов, локализованных на ионе кислорода "2".В результате появляется воэможностьоценить и изучить присущие образцу магни-,тозлектрические эффекты, что в ряде слу.чаев представляет значительный интерес и яв.ляется еще одным преимуществом способа.Следует уточнить, что при регистрации 30спектров на удвоенной частоте электрического поля необходимо, чтобы длительность пдлупериодабыла меньше времени ел(время релаксации спиновой системы), таккак только в этом случае намагниченность,созданная электрическим полем,. не успевает релаксировать, Поскольку ь, как правило, составляет 100 ,1 (время дипольнойрелаксации), то приведенное условие автома.тически содержится в ранее оговоренномусловии= (2 - 4)"2Использование предлагаемого способа позволяет увеличить чувствительность методаЭПР при исследовании парамагнитыых материалов, содержащих дефекты с электрическим дипольным моментом, и повысить ин формативность о структурных и магнитоэлектрических свойствах этих материалов.1133522 едактор А. Шишк Заказ 9943/36 Подписимитета СССР Тираж 898 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений и 3035, Москва, Ж - 35, Раущск