Способ исследования структурных параметров и свойств парамагнитных материалов

 

1. СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ И СВОЙСТВ ПАРАМАГНИТНЫХ МАТЕРИЛ ЛОВ, содержаиих дефекты с электрическим дипольным моментом, методом электронного парамагнитного резонанса с дополнительным воздействием низкочастотным переменным электрическим полем, отличающийс я тем, что, с целью з еличения чувствительности при определении спиновых релаксационных характеристик, частоту переменного электрического поля определяют соотношением а 5 где C/J - время дипольнон релаксации, а усиление и детектирование сигналов электронного парамагнитного резонанса проводят на частоте, кратной частоте переменного электрического поля. i 2. Способ по п. 1,отличающ и и с я тем, что усиление и детектиро (Л вание сигналов электронного парамагнитного резонанса проводят на частоте, равной удвоенной частоте переменного электрического поля.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 4(51) G 01 N 24/10 п <

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCXOMY СВИД=ТЕЛЬСТВУ

1(-(О ) ь юг. 1 (21) 3277159/18-25 (22) 17.04.81 (46) 07.01.85. Бюл. Р 1 (72) А. В. Брик, С. С. Ищенко и Г. В. Бухбиндер (71) Институт геохимии и физики минералов

АН Украинской ССР и Институт полупроводников АН Украинской ССР (53) 638.69:539.124.14 (088.8) (56) 1. Пул Ч. Техника ЭПР- спектроскопии.

М., "Мир", 1970, с. 210 — 214.

2. Брик А. Б. Сб увеличении намагниченности 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, содержащих дефекты с электрическим дипольным моментом, методом электронного парамагнитного резонанса с дополнительным воздействнем низкочастотным переменным электрическим полем, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения чувствительности прн определении сниновых релаксационных характеристик, частоту переменного электрического поля определяют соотношением где, — время дипольной релаксации, а усиление и детектирование сигналов электронного парамагнитного резонанса проводят на частоте, кратной частоте переменного электрического поля.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что усиление и детектирование сигналов электронного парамагнитного

1 резонанса проводят на частоте, равной удвоенной частоте переменного электрического поля, 1133522

45

1(E =(4: 82,1 т

55

Изобретение относится к магнитной радиоспектроскопии и может быль использовано для исследования структурных параметров и свойств парамагнитных материалов с дефектами, обладающими электрическим дипольным моментом.

Известен способ исследования парамагнитных материалов методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), включающий воздействие на исследуемый образец посто- 10 янным магнитным полем и перпендикуляр ным ему СВЧ-магнитным полем, промодулированным по амплитуде, с последующим усилением и детектированием ЭПР-сигнала на частоте модуляции t И. 15

Недостатком способа является сложность

I получения высокостабильной амплитуды модуляции источника СВЧ-поля и ввиду этого низкая чувствительность.

Известен также способ исследования парамагнитных материалов, обладающих дефектами с электрическим дипольным моментом, методом ЭПР с дополнительным воздействием на исследуемый образец низкочастотным переменным электрическим полем, что приводит к увеличению сигнала

ЭПР, регистрируемого на частоте модуляции магнитного поля (2}.

Однако известному способу присущи недостаточно высокая чувствительность, а также необходимость нахождения оптимального значения частоты переменного электрического поля дпя каждого образца.

Целью изобретения является повышение чувствительности способа при определении спиновых 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 поля определяют соотношением где — время дипольной релаксации, а усиление и детектирование сигналов ЭПР проводят на частоте, кратной частоте переменного электрического поля.

Причем усиление и детектирование сигналов ЭПР проводят на частоте, равной удвоенной частоте переменного электрического поля.

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, генератор 8 опорного напряжения, высоковольтный трансформатор 9, умножитель 10 частоты с переключателем П<, фазовращатель

11, генератор 12 опорного напряжения, ivroдуляционные катушки 13.

При воздействии на образец, в котором парамагнитные дефекты обладают существенным электрическим дипольным моментом (характерными дефектами такого рода являются дефекты типа "парамагнитный центрпримесь", например центры И -0 в 5 02 электронные центры в п 0 и ЭеО или

"парамагнитный центр — вакансия", например )lb в ЧаСР и Gd в CdF2 ), 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 сигнала поглощения подводимой СВЧ-мощности.

В качестве примера осуществления способа можно привести исследование образцов кварца, содержащих центры А -0 изготовлен-! ные в виде прямоугольников 4 х 8 мм при толщине 1 — 2 мм. Для введения поля. в образец на последний наносят слои графита, связанные с двумя электрическими контактами. Для этой же цели можно использовать вмонтированный в СВЧ-резонатор 2 конденсатор, образованный двумя прозрачными для

СВЧ-колебаний пластинками (из слюды), на которые нанесены графитовые электроды.

Применяемые СВЧ-колебания относятся к типу Нед, . Длительность полупериода вводимого 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 электрического поля следует выбирать исходя из выражения 1(4 = (4-8) 7, . 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 10 с, то — = 2,5,1

3 11 (Величина 1,g 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 диэлектрическим потерям, с помошью термоэмиссионных токов и т.д.).

Напряженность используемого электрического поля выбирают исходя из условия, что энергия электрических диполей в электрическом поле о Е должна быть больше энергии магнитных диполей (спинов) во

1.,Он внешнем магнитном поле 0„, т.е К

Если величина электрического диполя 4=.1 дебай, а наблюдение спектров ЭПР происходит в СВЧ-диапазоне, то упомянукВ тое условие удовлетворяется уже при Е = 19 — — . см

Верхний предел напряженности поля ограничивается только пробоем исследуемого

I образца, либо иными, чисто техническими факторами. В данном случае для исследования образцов используют поле напряженностью КВ см

В результате воздействия на образцы

,Ю -0 постоянным магнитным полем, СВЧмагнитным полем и переменным электрическим полем с укаэанными параметрами . получают спектры ЭПР, приведенные на фиг. 2 (а — c использованием известно. го способа, Р— с использованием предлагаемого способа; усиление и синхронное детектирование проведено на частоте переменного электрического поля).

При сопоставлении спектров а и 5 становятся очевидными преимущества предлагаемого способа. Так, соотношение mrнал — шум (чувствительность) спектра S по сравнению со спектром а возрастает примерно в 20 раэ. При этом сигналы

ЭПР от спинов, локализованных на различных ионах кислорода, назовем их "1" и

"2", пишутся в разные стороны от нулевой линии. Это существенно упрощает расшифровку и идентификацию спектров ЭПР, 33522 4 так как позволяет сразу и однозначно разделять линии ЭПР, относящиеся к .различным структурным позициям.

Кроме того, в предлагаемом способе сигналы ЭПР регистрируются непосредственно в виде линии поглощения, а не в виде ее производной, как в известном способе.

На фиг. 2 изображен спектр ЭПР, полученный в результате усиления и синхронного детектирования на частоте, равной удвоенной частоте переменного электрического поля (b) . Из соотношения интенсивностей сигналов спектров о и о несложно найти соотношение между вероятностями релаксационных дипольных переходов без перс ориентации электронного спина к вероятностям этих же переходов с переорыентацией спина электрона. В свою очередь эта . дополнительная информация указывает на величину отклонения оси квантования спинов, локализованных на ионе кислорода "1" от направления этой оси для спинов, локализованных на ионе кислорода "2".

В результате появляется воэможность оценить и изучить присущие образцу магни-, тоэлектрические эффекты, что в ряде случаев представляет значительный интерес и яв ляется еще одным преимуществом способа.

Следует уточнить, что при регистрации

30 спектров на удвоенной частоте электрическо го поля необходимо, чтобы длительность пд лупериода « была меньше времени

«т и (время релаксации спиновой системы), так как только в этом случае намагниченность, созданная электрическим полем,. не успева35 е релакс ова . По, ак п авило, составляет 100 "1 (время дипольной релаксации), то приведенное условие автоматически содержится в ранее оговоренном условии = (2 — 4), "

Использование предлагаемого способа позволяет увеличить чувствительность метода

ЭПР при исследовании парамагнитыых материалов, содержащих дефекты с электрическим дипольным моментом, и повысить ин4 формативность о структурных и магнитоэлектрических свойствах этих материалов.

1133522

ЛГО

Составитель А. Цыбин

Техред А.Кикемезей Корректор Г. Огар

Редактор А. Шишкина

Заказ 9943/36

Тираж 898 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4