Главная | Обратная связь

Введение в теорию ЭПР

Константинова Елизавета Александровна

ЭПР-спектроскопия неупорядоченных и низкоразмерных твердотельных систем

Москва, 2002 г.

 

УДК 538.955 (075.8)

 

Е.А. Константинова, ЭПР-спектроскопия неупорядоченных и низкоразмерных твердотельных структур. М. 2002г., 74 с.

 

В данном учебном пособии кратко изложены основы ЭПР-спектроскопии, и обсуждается применение данного метода для исследования точечных дефектов в неупорядоченных и низкоразмерных твердотельных системах. Пособие предназначено для студентов старших курсов, аспирантов и научных работников, специализирующихся в области ЭПР-спектроскопии.

 

Физический факультет МГУ

Лицензия ЛР-021293 от 18.06.1998

Подписано к печати 19.11.2002 г.

 

Объем 3п.л. Тираж 30 экз. Заказ

Отпечатано в отделе оперативной печати

физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

 

© Е.А. Константинова, 2002

Оглавление

Введение……………………………………………………………………….	……4
§1. Введение в теорию ЭПР…………………………………………………..	…….6
1.1 Условие электронного парамагнитного резонанса………………….	…….6
1.2. g – фактор и его свойства……………………………………………..	…….8
1.3. Электрон-ядерное взаимодействие и сверхтонкая структура спектра ЭПР………………………………………………………...	….10
1.4. Интенсивность и форма линии в спектре ЭПР. Времена релаксации системы спинов………………………………	…..11
§2. Техника ЭПР-спектроскопии……………………………………………	….18
2.1. Принцип устройства ЭПР-спектрометра……………………………	….18
2.2 Основные узлы и параметры ЭПР-спектрометра PS100.X…………	…27
2.3 Программа для измерения спектров ЭПР.………………………….	…..30
§3. Исследование методом ЭПР кристаллических, неупорядоченных и низкоразмерных образцов……………………………………………..	…..34
3.1 ЭПР-спектроскопия кристаллов…………………….……………….	….34
3.2 Особенности применения метода ЭПР для изучения спиновых центров в неупорядоченных и низкоразмерных полупроводниках и диэлектриках…………………………………………………………	…...43
§ 4. Упражнения………………………………………………………………	…..48
4.1 Знакомство с устройством и порядком работы на ЭПР-спектрометре………………………………………………………	…..48
4.2 Измерение спектра ЭПР ионов Mn++ в твердотельной матрице……	…..49
4.3 Исследование спиновых центров в образцах a-Si:H и a-Si1-xC x:H...	…..51
4.4 ЭПР-спектроскопия пористого кремния…………………………….	…..52
Приложение. Методика расчета концентрации парамагнитных центров….	….53
Список рекомендуемой литературы……………………………………………	…..55

Введение

 

Явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) было открыто советским ученым Е.К.Завойским в 1944 г. Сегодня метод ЭПР является надежным, информативным и потому широко используемым методом исследования физических свойств веществ. Суть ЭПР заключается в резонансном возрастании поглощения электромагнитного излучения в веществе, помещенном в магнитное поле. В основе явления ЭПР лежит эффект Зеемана - расщепление спектральных линий атома в магнитном поле. Указанный эффект обусловлен взаимодействием с внешним магнитным полем магнитного момента атома. Последний складывается из магнитных моментов, связанных с орбитальным движением электронов, наличием у них спина – собственного момента импульса, а также магнитного момента ядра. В случае, когда основной вклад в магнитный момент атома обусловлен электронами, то говорят об электронном парамагнетизме. Такой вид парамагнетизма наблюдается в следующих системах.

1) Атомы и молекулы с нечетным числом электронов (например, атомы азота и водорода ( ), молекулы оксида азота (II) ).

2) Молекулы с четным числом электронов, обладающие отличным от нуля результирующим моментом импульса (например, молекула кислорода ).

3) Ионы, имеющие частично заполненные внутренние электронные оболочки (например, ионы элементов переходных и редкоземельных металлов титана ( ) и эрбия ( ), соответственно).

4) Свободные радикалы (например, метильный ( )и гидроксильный ( ) радикалы). Такие радикалы являются химическими соединениями с неспаренными электронами.

5) Так называемые центры окраски, которые представляют собой электроны (F-центры) и дырки, захваченные вакансиями отрицательных и положительных ионов, соответственно, (например, вакансии в кристаллах , или комплекс + вакансия кислорода в оксиде титана (IV) (TiO₂)) в различных местах кристаллической решетки.

6) Металлы и полупроводники вследствие наличия в них свободных электронов.

 

Во всех перечисленных случаях при величине магнитного поля ~ 10³-10⁴ Гс могут наблюдаться переходы между зеемановскими подуровнями, происходящие с поглощением энергии электромагнитного излучения в микроволновой (30...2 мм) области. Для рассматриваемой спектральной области обычно используют термины “электронный парамагнитный резонанс” или “электронный спиновый резонанс”. Отметим, что более общим является первый, поскольку некоторые молекулы имеют ненулевой суммарный орбитальный момент при равном нулю спине. Например, молекула O₂ может находиться в состоянии, характеризующемся орбитальным моментом импульса относительно межъядерной оси, равным 2, но в то же время обладает нулевым спиновым моментом импульса [1]. Следовательно, термин “ электронный спиновый резонанс” в этом случае не применим. Однако, в зарубежной литературе данный термин часто используется, поскольку даже при наличии только орбитального вклада в квантовомеханических расчетах используется спин-гамильтониан, включающий в себя “эффективный” спин, содержащий вклады орбитального и спинового моментов импульса.

Метод ЭПР (в тех случаях, когда его можно применить) дает наиболее прямые и точные сведения о природе, основном состоянии парамагнитных центров и об их ближайшем окружении. Если спиновые центры находятся в кристалле, то анализ спектра ЭПР позволяет найти значения важных параметров, характеризующих внутрикристаллическое поле, и рассчитать энергетический спектр исследуемых центров. На основе экспериментальных данных во многих случаях можно также определить магнитную восприимчивость и теплоемкость кристалла.

В последние годы интенсивно исследуются физические свойства неупорядоченных и низкоразмерных твердотельных систем, таких как аморфные, пористые и нанокристаллические полупроводники и диэлектрики. Понимание механизмов электронных процессов в таких объектах необходимо для использования их в микро- и оптоэлектронике, а также в солнечной энергетике. Общим свойством неупорядоченных и низкоразмерных твердых тел является отсутствие дальнего порядка в расположении атомов. Это приводит к появлению большого числа локализованных электронных состояний, значительная часть которых связана со спиновыми центрами типа оборванных связей. Количественная информация о свойствах таких центров может быть получена методом ЭПР. Более подробно данный вопрос будет рассмотрен в третьем параграфе.

Завершая вводную часть, отметим, что в большинстве учебных изданий и монографий, посвященных ЭПР-спектроскопии, используется система единиц Гаусса. Напомним, что силовое воздействие магнитного поля описывается вектором индукции , величина которого измеряется в гауссах, в то время как для вектора напряженности магнитного поля, , используется единица эрстед. В вакууме оба вектора совпадают, с чем, по-видимому, и связано использование в литературе по ЭПР именно вектора , причем измеряемого в гауссах. В данном учебном пособии мы будем придерживаться этой общепринятой, хотя и не совсем точной, терминологии.

 

Введение в теорию ЭПР