Способ регистрации сигналов ядерного магнитного резонанса в твердых телах

 

СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ путем освещения образца, помещенного в магнитное поле, о тличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и получения неискаженной формы линии ЯМР редких ядер, в образце создают заданную концентрацию дефектов со спиновой поляризацией злектронов, осуществляют освещение образца светом с энергией квантов, превьпиающей энергию ионизации дефектов, и осуществляют регистрацию сигналов ЯМР методом ненасьщающего прохождения через резонанс, причем спиновая поляризация электронов при освещении образца отличается от равновесной больцмановской поляризации электронов..

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

All К

РЕСПУБЛИК ае 01) з, с 01 и 24/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

fl0 ДЯЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н ABTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3521427/18-25 (22) .13. 12.82 (46). 15.07.84. Бюл. В 26 (72) Н.Т. Баграев и.Л.С. Власенко (71) Ордена Ленина физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (53) 539. 143.43(088 ° 8) (56) 1. Гольдман И. Спиновая температура и ЯИР в твердых телах. К., "Икр", 1971, с. 156-160, 166-170.

2. Lampel С. Иис1ear dynamic

polarization by optical electronic

saturation and opt1са1 рцвр1ng ipsemiconductors, Phys Rev. Lett. 1968, 20, р. 491-493 (прототип). (54)(57) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ

ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА В TBEPДЫХ ТЕЛАХ путем освещения образца, помещенного в магнитное поле, о т" л и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и получения неискаженной формы линии

ЯИР "редких ядер", в образце создают заданную концентрацию дефектов со спиновой поляризацией электронов, осуществляют освещение образца светом с энергией квантов, превышающей энергию ионизации дефектов, и осуществляют регистрацию сигналов ЯМР методом ненасыщающего прохождения через резонанс, причем спиновая поляризация электронов при освещении образца отличается от равновесной больцманов- 3 ской поляризации электронов ..

1103131

Изобретение относится к радиоспектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и физики твердого тела и может быть использовано для изучения магнитных свойств твердых тел, их струтуры и других физико-химических характеристик.

Информация о свойствах твердых тел.в радиоспектроскопии ЯМР извле- . кается из ширины и формы линия ЯМР. 10

Основными факторами, искащающими форму линии при наблюдении сигналов

ЯМР, являются радиочастотное уширение линии (насыщение), которое зависит от амплитуды переменного радио 15 частотного поля Н, и модуляционное уширение, связанное с амплитудной модуляцией постоянного магнитного поля Но. Модуляционного уширения легко избежать, выбрав величину амплитуды 20 модуляции Н,„ < 0,1 О, где гиромагнитное отношение ядра; D —ширина линии ЯМР в единицах частоты.

Для регистрации естественной формы линии ЯМР в твердых телах обычно 25 используют метод ненасыщающего прохождения через резонанс (1) .

При этом величину радиочастотного поля Н4 выбирают из соотношения

1 ГГ н 1т, а скорость изменения магнитного поля Но из условия 1 о — 7$H

35 где / — гиромагнитное отношение;

D — ширина линии магнитного резонанса;

Т вЂ” время спин-решеточной релаксации ядер. 40

Однако этот способ регистрации сигналов ЯМР имеет следующие недостатки. Интенсивность сигнала ЯМР пропорциональна Н, при этом для того, чтобы удовлетворить первому

45 неравенству и наблюдать неуширенную линию ЯМР, необходимо уменьшить Н„, а это ведет к уменьшению интенсивности самой линии ЯМР и, следователь. но, к снижению чувствительности спо- 5О соба. Кроме того, этим способом невозможно наблюдать сигналы ЯИР "редких ядер, т.е. ядер, имеющих малую, менее 5% естественную распространенность. Времена спин-решеточной релак-55 сации Т< этих ядер в твердых телах могут достигать многих часов, а линии ЯИР иметь малую ширину D 100 Гц.

В этом случае, чтобы удовлетворить указанному первому неравенству, необходимо выбирать Н1<10 — 10 Э

-5 (при / 10 Гц/Э), а при таких малых значениях Н амплитуда сигналов

ЯИР становится ниже уровня шума и сигналы не наблюдаются.

Наиболее близким к изобретению является способ регистрации сигналов

ЯИР в твердых телах путем освещения образца, помещенного в магнитное поле f2) .

При этом сигнал ЯМР регистрируют методом быстрого адиабатического прохождения. Условие быстрого адиабатического прохождения удовлетворяет следующему неравенству:

I дН вЂ” — — рН,, т, н, dt

Для больших значений Т1 > 1 данное неравенство легко выполняется при

Н 1 Э и ЙН,/dt 10 -10 Э/с.

Однако при использовании известного способа наблюдается искаженная и уширенная линия ЯИР. Ширина ее

Р Н, 10 Гц, т.е. на порядок больше, чем ширина естественной линии. Кроме того, при использовании данного способа амплитуда наблюдаемых сигналов ЯМР увеличивается лишь в несколько раз по сравнению с равновесными сигналами ЯИР, а для наблюдения неискаженной линии ЯМР методом ненасыщенного прохождения через резонанс требуется увеличение амплитуды сигналов на несколько порядков. Таким образом, чувствительность прототипа оказывается недостаточной для наблюдения неискаженной формы линии ЯИР.

Цель изобретения — увеличение чувствительности и получение неискаженной формы линии ЯИР"редких ядер".

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу регистрации сигналов ЯИР. в твердых телах путем освещения образца, помещенного в магнитное поле, в образце создают заданную концентрацию дефектов со спиновой поляризацией электронов, осуществляют освещение образца светом с энергией квантов, превышающей энергию ионизации дефектов, и осуществляют регистрацию сигналов ЯМР методом ненасыщающего прохождения через резо- нанс, причем спиновая поляризация

1103131 электронов при освещении образца отличается от равновесной больцмановской поляризации электронов.

Для этого в образце создают дефекты с концентрацией, лежащей в пределах 101 см

Рб Ф РеО пРи освеЩении, а освеЩение производят светом с энергией квантов

Е > Е;, где Рец — равновесная боль" цмановская поляризация электронов;

Е; — энергия ионизации дефектов.

Сильная динамическая поляризация ядер в образце возникает в том случае„1 если в образце содержатся дефекты, имеющие электронную спиновую поляризацию Ре, отличающуюся при освещении от равновесной больцмановской поляризации.P . Таким свойством обладают в твердых телах дефекты, включающие оборванные связи. Спиновая поляризация электронов на оборванных связях при освещении образца не несколько порядков превосходит равновесную больцмановскую поляризацию.

Сверхтонкое взаимодействие ядер решетки образца с такими сильно поляризованными электронами приводит к возникновению ядерной поляризации, на ЗО несколько порядков превышающей равновесную ядерную поляризацию, что обуславливает увеличение регистрируемых сигналов ЯМР на несколько порядков и, следовательно, увеличении 35 чувствительности предлагаемого способа.

Дефекты, включающие оборванные связи, можно создать в твердом теле, например, ионизирующим излучением: облучением образца быстрыми электронами, нейтронами, )" - квантами или механическим воздействием, например пластической деформацией, а также термообработкой. Необходимую концентрацию вводимых дефектов можно легко получить, подбирая дозу облучения, степень деформации образца, температуру нагрева и скорость охлаждения.

Концентрация вводимых дефектов должна быть не менее 101 см, так как при меньшей концентрации не удается получить регистрируемую ядерную поляризацию при освещении. При концентрации дефектов более 10 см эти дефекты уже оказывают влияние на форму линии ЯМР.

Освещение образца производят светом с энергией квантов, превосходящей энергию ионизации дефекта, так как спиновая поляризация электронов (P е ф Реп ) возникае1 при захвате электронов из зоны проводимости на возбужденные уровни энергии дефекта.

Интенсивность света целесообразно выбирать такой, чтобы количество фотонов, падающих на 1 см поверхности образца в единицу времени, превосходило концентрацию дефектов в образце. Однако черезвычайно интенсивные световые потоки, более 1О фот/см, могут привести к разогреву и разрушению образца.

После освещения образца осуществляют регистрацию сигналов ЯИР с помощью радиоспектрометра ЯМР, причем величину радиочастотного поля Н выбирают из первого указанного условия, чтобы реализовать условия ненасыщенного прохождения через резонанс и получить неискаженную форму линии ЯИР.

На чертеже представлены регистрируемые сигналы ЯИР в образце монокристаллического чистого кремния с концентрацией исходных примесей менее 10 см и не содержащего дефектов с оборванными связями (кривая 1) и после облучения этого образца нейтронами, где на кривой 2 представлен сигнал поглощения ядер 295i; на кривой 3 — сигнал дисперсии; на кривой 4 — сигнал ЯИР ядер 295, регистрируемый методом быстрого адиабатического прохождения.

Пример. В качестве образца используют кремний. Кремний содержит ядерный изотоп 29 5, естественное содержание которого составляет 4,77..

Время спин-решеточной релакцсации ядер 29 51 в чистом монокристаллическом кремнии Т = 20 ч. Ширина естественной линии ЯМР в кремнии порядка

100 Гц. При этом для наблюдения неискаженной линии ЯМР ядер 29 5i необ ходимо выбирать напряженность переменного радиочастотного поля Н i е 10 3

При Н 1 10 Э сигнала ЯМР ядер 29 51 в образце чистого монокристалличес. кого кремния, не содержащего дефектов с оборванными связями, не наблюдается (кривая 1).

Этот образец облучен нейтрона..-1и и в нем образовались дефекты структу1103131

Составитель В. Иайоршин

Редактор В. Ковтун Техред С. Мигунов Корректор А. Ильин

Заказ 4970/32 Тирах 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1l3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ры в концентрации 10 см . Эта концентрация определяется по интенсивности линий электронного парамагнитного резонанса. До освещения сигнал

ЯМР ядер 29 Sl в облученном нейтронаии кремнии также не наблюдается.

Освещение образца осуществляется светом лампы накаливания мощностью

1 кВт в магнитном поле Н = 5 кЭ при температуре жидкого азота; длительность освещения 1 ч. После освещения образец помещают в магнит радиоспектрометра ЯИР и наблюдается сигнал ЯИР ядер 29/< в условиях ненасыщенного прохождения через резонанс, т.е.

15 при Н = 10 Э, йН„/dt . 10 Э/с., причем модуляция постоянного магнитного поля Н не применяется. Сигнал с выхода детектора приемника поступает непосредственно на самописец.

На чертеже показаны. сигналы ЯИР ядер 29 Si поглощения (кривая 2) и дисперсии (кривая 3), полученные предлагаеиым способом. Кривая 4 показывает вид сигнала ЯИР в этом же образце после освещения с использованием метода быстрого адиабатического прохождения через резонанс, т.е. при

Н <» 1 Э. Из сравнения сигналов видно, что при регистрации сигналов ЯМР методом быстрого адиабатического прохождения линия ЯИР уширена более чем на порядок.

Такии образом, данный способ позволяет увеличить чувствительность, а также получать неискаженный внд сигналов поглощения и дисперсности, что важно при исследованиях структуры твердых тел, в тои числе и при различных технологических процессах по выращиванию кристаллов.