Главная | Обратная связь

Знакомство с устройством и порядком работы на ЭПР-спектрометре

 

Перед началом выполнения данных упражнений необходимо внимательно изучить, используя §2 данного пособия, принципы устройства и расположение органов управления ЭПР-спектрометра EPR PS100.X. При необходимости можно также использовать его описание.

Порядок работы на ЭПР-спектрометре EPR PS100.X.

1. Включить кнопку сетевого включателя, при этом должен засветиться светодиодный индикатор “сеть”.

2. Включить компьютер.

3. Через 4 минуты осуществляется автоматическое согласование частоты и связи рабочего резонатора, при этом должен засветиться светодиодный индикатор настройки (красный), а ток детектора СВЧ установится примерно на уровне 50 мкА.

После этого спектрометр в принципе готов к работе, хотя оптимальный режим измерений будет достигнут только после термостабилизации датчика Холла, блока управления магнитным полем и рабочего резонатора. Оптимальный режим достигается в среднем через 60 минут. До этого времени можно проводить оценочные измерения, а также осуществлять выбор параметров регистрации.

4. Разместить в рабочем резонаторе ампулу с исследуемым образцом.

5. Провести измерения.

Управление процессом измерений выполняется с использованием персонального компьютера, оснащенного специальной программой. Поэтому перед началом измерений необходимо ознакомиться с программным обеспечением спектрометра EPR PS100.X (см. п.2.3). В качестве эталонного образца для определения концентраций спиновых центров используется .

 

Примечание

После конвертирования измеренного спектра ЭПР с использованием программы Coder.exe (см. п.2.3) магнитное поле отсчитывается в относительных единицах. Необходимо пересчитать его в единицы измерения магнитного поля. Это можно сделать, например, с помощью программы “Origin”, выделив предварительно столбец A(x) в таблице с данными, и выбрав операцию Set Column Values. Далее необходимо сделать следующую операцию:

.

 

4.2. Измерение спектра ЭПР ионов Mn⁺⁺ в твердотельной матрице

 

Ионы Mn⁺⁺, содержащиеся в качестве примеси в оксиде магния, используются в ЭПР-спектроскопии в качестве эталонного стандарта для определения g-факторов и концентраций дефектов в исследуемых образцах. Поскольку ядро марганца имеет спин I=5/2, то в результате взаимодействия с ним неспаренного электрона линия ЭПР расщепляется на 6 компонент (2I+1) (см. п.1.3).

В данной работе измерение спектра ЭПР MgO с Mn⁺⁺ используется для точной калибровки поля при расчете g-факторов других исследуемых веществ. Расчет осуществляется с использованием очевидного равенства :

,(33)

где g_x, g_Mn – g-факторы искомого сигнала и линии от ионов Mn⁺⁺, H_x, H_Mn – значения магнитного поля в максимуме спектра поглощения (или в месте обращения первой производной в нуль) для искомого сигнала и линии от Mn⁺⁺.

Отсюда следует, что искомый g-фактор равен:

. (34)

Порядок выполнения упражнения:

1) Включить ЭПР-спектрометр согласно рекомендациям п.4.1.

2) Поместить в ампулу MgO, содержащий в качестве примеси ионы Mn⁺⁺, и надеть на ампулу соответствующий ее диаметру держатель так, чтобы расстояние от верхнего конца держателя до середины образца составляло 9.3 см. Это обеспечит положение образца в центре резонатора. В дальнейшем следует соблюдать это условие для всех измерений.

3) Аккуратно вставить ампулу с образцом и держателем в резонатор и закрепить специальным фиксатором с резьбой (фиксатор необходимо надеть сверху на ампулу и осторожно поворачивать по часовой стрелке до упора).

4) Запустить программу для регистрации спектров ЭПР. Выбрать с учетом рекомендаций п.2.3 параметры и прописать спектр ЭПР.

5) К специальному разъему на передней панели спектрометра присоединить частотомер, работающий в гигагерцовом диапазоне. Измерить частоту источника микроволнового излучения.

6) С использованием формулы рассчитать значение g-факторов для третьей и четвертой линий в спектре ионов Mn⁺⁺. Сравнить с табличными значениями, которые составляют g₃ = 2.0328 и g₄ = 1.9812 .

7) Результаты измерений должны быть представлены в виде спектра ЭПР (либо первая производная линии поглощения, либо линия поглощения). По оси абсцисс должно быть отложено магнитное поле (см. примечание к п.4.1). На рисунке также указать стрелками около соответствующих линий вычисленные значения g-факторов.

 

 

4.3. Исследование спиновых центров в образцах a-Si:H и a-Si_1-x C_x:H

 

В качестве объекта исследования используются образцы аморфного карбида кремния переменного состава a-Si_1-xC_x:H (x=0¸0.3), полученные методом CVD в тлеющем разряде.

В данном упражнении необходимо выполнить следующие измерения.

1. Получить серию зависимостей для всех исследуемых пленок a-Si_xC_x-1:H. Для этого прописать спектры ЭПР при следующих значениях мощности в децибеллах: 1, 5, 10, 15, 20, 25 и 30. Построить график . Определить, в каком интервале значений микроволновой мощности отсутствует насыщение для каждого из образцов.

2. Положив в ампулу с a-Si_xC_x-1:H с и выбрав значение P, при котором сигнал ЭПР не насыщается ни для одного из образцов, прописать спектры ЭПР для всех исследуемых образцов.

3. Получить спектр ЭПР эталона концентраций . При этом следует учесть, что параметры спектра ЭПР для эталона и условия эксперимента (месторасположение образца в резонаторе и температура измерения) должны быть выбраны по возможности такими же, как и для исследуемого образца. Если какие-либо параметры спектра ЭПР не удается выбрать одинаковыми, необходимо произвести перерасчет данных эксперимента, умножив или разделив спектр эталона на соответствующие коэффициенты. Отметим, что интенсивность линии в спектре ЭПР во всем диапазоне значений зависит линейно от амплитуды модуляции, коэффициента усиления и корня из микроволновой мощности (в отсутствие насыщения).

4. По спектрам, полученным в п.п. 2, и 3 определить следующие параметры: 1) ширину линии ЭПР, 2) g-фактор (используя сигнал от ионов Mn⁺⁺, рассчитать по формуле (34)), 3) концентрацию дефектов.

Примечания:

1. Методика расчета концентрации спиновых центров приведена в Приложении.

2. Абсолютная концентрация спинов в эталонном образце составляет (6.0±0.2)*10¹⁸.