Компьютерное моделирование спектров ЭПР радиационных дефектов и переходных элементов в ион-имплантированных стеклах и в тонких аморфных пленках

• Автор: Прушинский, Сергей Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 188 с. : ил

Содержание
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы
ГЛАВА 1. Обзор литературы
§ 1. Стеклообразное состояние. Структура стекла
§ 2. Радиационные парамагнитные дефекты (РПД) в неорганических стеклах, индуцированные у-излучением.
2.1. Основные РПД в у-облученном кварцевом стекле, связанные с его собственными дефектами_
2.2. Радиационные парамагнитные центры (РПЦ) в силикатных стеклах
2.3. Радиационные парамагнитные центры в боратных стеклах
2.4. Радиационные парамагнитные центры в фосфатных стеклах
2.5. Парамагнитные дефекты в у-облученных фторидных стеклах
§ 3. Парамагнитные центры в оксидных стеклах, связанные с имплантированными
ионами
3.1. Ионная имплантация
3.2. РПД в ион-имплантированных пленках аморфного кварца (а—ЭЮ,) на кремнии
3.3. РПД в ион-имплантированных кварцевых стеклах
3.4. Ион-имплантированные силикатные стекла
§ 4. ЭПР переходных элементов в стеклах
§ 5. ЭПР стекол, имплантированных переходными элементами
ГЛАВА 2. Методика эксперимента и компьютерное моделирование спектров.
§ 1. Цель работы. Постановка задачи. Методика эксперимента
§ 2. Алгоритм компьютерного моделирования спектров ЭПР
2.1. Моделирование спектров ЭПР с анизотропным g-фaктopoм и сверхтонкой структурой.
ГЛАВА 3. Моделирование спектров ЭПР парамагнитных дефектов
в ион-имплантированных стеклах
§ 1. Дефекты в оксидных стеклах, имплантированных различными ионами
1.1. А- и В-спектры
1.2. Б-сигнал
§ 2. Парамагнитные центры в оксидных стеклах, имплантированных ионами С*
§ 3. Парамагнитные центры в оксидных стеклах, имплантированных ионами ГС
§ 4. Силикатные и фосфатные стекла, имплантированные ионами РЬ+
§ 5. Дырочные центры, связанные с кислородом
§ 6. Ион-имплантированные фторалюмипатные стекла
ГЛАВА 4. Неорганические стекла, имплантированные переходными элементами. 114 § 1. Переходные элементы в кварцевом стекле
1.1. Титан
1.2. Цирконий
1.3. Хром
§ 2. Фосфатные стекла
2.1. Титан
2.2. Ванадий
2.3. Кобальт.
2.4. Эффект 71—Си ионного смешивания
§ 3. Фторидные стекла
3.1. Титан во фторалюминатных стеклах
3.2. Никель во фторалюминатных стеклах
3.3. Цирконий во фторцирконатных стеклах
ГЛАВА 5. Аморфные силико-нитридные пленки
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРА ТУРА
Введение.
В настоящей работе получены, обработаны с помощью компьютерного моделирования и обсуждены спектры электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) — одного из видов спектроскопии радиодиапазона, — в неупорядоченных твердых телах.
ЭПР был экспериментально открыт Е.К. Завойским в 1944 г., и в первые десятилетия после открытия были выполнены основные фундаментальные исследования, объясняющие черты этого явления. В последующие годы ЭПР начал развиваться как прикладной метод исследования веществ в различном агрегатном состоянии, и в настоящее время он широко применяется в физике, химии, биологии, медицине и других областях науки и техники.
На первых стадиях своего развития ЭПР сыграл важную роль в развитии квантовой электроники при разработке монокристаллов, используемых в качестве оптических квантовых генераторов (ОКГ), а также для понимания процессов электропроводности в кристаллических полупроводниках. Впоследствии круг объектов, исследуемых с помощью ЭПР в физике, расширился — с его помощью стали изучать растворы и неупорядоченные твердые тела: органические и неорганические стекла; аморфные полупроводники (оксидные и халь-когенидные); керамику (в частности, керамические высокотемпературные сверхпроводники); керамику и стекла, применяемые при захоронении радиоактивных отходов; керамические катализаторы, используемые в системах отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и т.п.
В последние десятилетия резко возрос интерес к композитным материалам, содержащим металлические и полупроводниковые включения нанометро-

вого размера, а также к тонким полупроводниковым и диэлектрическим пленкам, полученным различными методами.
Одной из основных особенностей спектров ЭПР в неупорядоченных системах является то, что парамагнитные центры, обусловливающие эти спектры, вместе с ближайшим окружением (парамагнитным комплексом) распределены по объему стекла, произвольным образом ориентируясь друг относительно друга и относительно внешнего магнитного поля.
Положение и интенсивность линий ЭПР, принадлежащих индивидуальному комплексу в стекле, зависят от углов, образованных осями симметрии комплекса с направлением магнитного поля. Наблюдаемый сигнал представляет собой огибающую индивидуальных линий, полученных от отдельных комплексов.
Принципиальное различие спектров ЭПР в поликристаллических (керамических) и аморфных материалах состоит в том, что в последних имеет место значительно более широкое распределение параметров спин-гамильтониана, которое определяется разбросом межатомных расстояний и углов связей в ближайшем окружении парамагнитного центра.
Это осложняет определение точных значений параметров спектров и идентификацию парамагнитных центров. Поэтому в практике применения ЭПР к исследованию неупорядоченных твердых тел широко используется компьютерное моделирование их спектров.
Настоящая работа посвящена главным образом моделированию на персональном компьютере спектров ЭПР от парамагнитных центров, образованных при ионной имплантации в некоторых оксидных и во фторидных стеклах, а также дефектов в аморфных силико-нитридных пленках. Ниже будут сформулированы конкретные задачи, поставленные в данной работе.

Титан.
В титансодержащих стеклах [58-62] наблюдаются синглетные сигналы ЭПР асимметричной формы в области 1.9 с шириной между экстремумами производной ~ 10 мТ. Отличительной особенностью этих сигналов являются зависимость формы и ширины линии поглощения от температуры и возрастание интегральной интенсивности спектров при понижении температуры, большее, чем это следует из больцмановского распределения заселенностей энергетических уровней.
Спектры ЭПР в титансодержащих стеклах приписаны ионам Т13+ (электронная конфигурация ЗЗ1), находящимся в центре тетрагонально сжатого октаэдра, образованного ионами кислорода или фтора, с основным | ху > состоянием иона ТР+.
Для свободного иона ТР+ 21) основное состояние расщепляется на 2Т2 (нижний уровень) и 2Е (верхний уровень). В случае тетраэдрической координации расположение этих уровней обратное. В тетрагонально искаженном октаэдре 2Т2 состояние расщепляется на 2В2 ху > состояние и (| уг >, | тх >) состояния. Какой из них лежит ниже — зависит от того, сжатым или вытянутым является октаэдр. Возбужденное состояние 2Е расщепляется на А/ (| Зг2 - г2 >) и В/ (| х2 —- у2 >) состояния в случае тетрагонального искажения.
Для | ху > и | х2 — у2 > основных состояний значения аксиальных компонент g равны:
(1-2),
где %о — ^-фактор свободного электрона;
Д — константа спин-орбитальной связи для свободного иона;