Природа и структура ряда примесных центров в ZnO по данным высокочастотной спектроскопии ЭПР/ДЭЯР

• Автор: Кутьин, Юрий Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 133 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СВОЙСТВА И НЕКОТОРЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ гпО

1Л Кристаллическая структура ZnO

1.2 Некоторые приложения 2пО

1.3 Акцепторные примеси в 2пО

1.3.1 Асимметрия легирования ZnO

1.3.2 Азот в 2п

1.3.3 Легирование 2п0 элементами I группы

1.3.4 Акцепторные комплексы и со-допирование

1.4 Исследование проводимости и-типа в ZnO

1.4.1 Собственные дефекты
1.4.2 Мелкие доноры в ZnO
1.5 Металлы переходной группы в 2п
ГЛАВА 2. ИМПУЛЬСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ЭПР/ДЭЯР. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1 Спиновый гамильтониан
2.2 Импульсный ЭПР
2.3 Двойной электрон-ядерный резонанс. Последовательность Мимса
2.4 Преимущества высокочастотного ЭПР/ДЭЯР
2.5 Спектрометр ЭПР Е1ех8у8
ГЛАВА 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ МЕЛКОГО ДОНОРА А1 В ZnO МЕТОДОМ ДЭЯР
3.1 Исследование мелких доноров в 2пО методом ЭПР
3.1.1 Идентификация мелких доноров 1п и ва методом ЭПР
3.1.2 Ограничение метода ЭПР в случае А1 в 2п
3.2 Исследуемые образцы и методика эксперимента
3.3 Ориентационная зависимость спектра ЭПР мелкого донора А

3.4 Ядерные переходы 27А1 в спектрах ДЭЯР мелкого донора. Схема энергетических уровней
3.5 Моделирование спектров ДЭЯР ядер 27А
3.6 Делокализация электрона мелкого донора в спектрах ДЭЯР (ЛЪх
3.7 Расчет градиента электрического поля на ядре 27А
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ИОНА Мп2+ В гпО МЕТОДОМ ЭПР/ДЭЯР
4.1 Мп в оксиде цинка
4.2 Исследуемые образцы
4.3 Спектр ЭПР иона Мп2+ в 2п
4.4. Сигналы ДЭЯР ядер 55Мп. Схема энергетических уровней системы 6 = 5/2, 7=5/
4.5. Учет поправок второго порядка
4.6. Спектры ДЭЯР ядра 55Мп при В ±с
4.7. Расчет градиента электрического поля на ядрах 55Мп
ГЛАВА 5. ИДЕНТИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСА Ге3+-Ьі+ В 2пО МЕТОДОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДЭЯР
5.1 Модели зарядовой компенсации центров Ее3+ в 2пО
5.2 Исследуемый образец и методика эксперимента
5.3 Исследование образца 2п0 методом ЭПР в У-диапазоне
5.4 Спектры ДЭЯР центров Ге3+ с зарядовой компенсацией
5.5 Схема энергетических уровней и расчет спектров ДЭЯР для системы £ = 5/2, 7=3/
5.6 Результаты вычислений параметров спинового гамильтониана из спектров ДЭЯР при В || с
5.7 Спектры ЭПР/ДЭЯР комплексов Ее3+-Ьі+ в перпендикулярной ориентации магнитного поля относительно оси с
5.8 Оценка величины градиента электрического поля на ядрах 71л
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время актуальной проблемой является поиск новых материалов для приложений в оптике и оптоэлектронике. Большим потенциалом для применения в данных областях обладает оксид цинка. Низкие стоимость и токсичность, высокая распространенность составляющих элементов, возможность выращивания высококачественных монокристаллов, широкая прямая
запрещенная зона и прочие свойства делают ZnO перспективным материалом для использования в солнечных батареях, жидкокристаллических дисплеях, светоизлучающих диодах и других устройствах [1]. Данная диссертационная работа посвящена исследованию практически важных типов примесей в ХпО методами высокочастотного электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и двойного электрон-ядерного резонанса (ДЭЯР) на частоте 94 ГГц.
Актуальность темы исследования
Ширина запрещенной зоны около 3,37 эВ при комнатной температуре делает ZnO прозрачным в видимом диапазоне электромагнитного спектра. Легированный донорами ZnO может обладать высокой проводимостью и является, таким образом, дешевой альтернативой смешанному оксиду индия-олова. ZnO п-типа может быть использован при изготовлении контактов для солнечных батарей, прозрачных электродов для жидкокристаллических дисплеев, прозрачных транзисторов и т.д. [2].
Соответствие ширины запрещенной зоны ZnO энергии излучения в диапазоне ближнего ультрафиолета, большая энергия связи свободных экситонов (около 60 мэВ) [3], а также возможность контроля ширины запрещенной зоны путем легирования материала атомами Сй и 1^ [4] позволяют рассматривать ZnO как перспективный материал для создания светоизлучающих устройств. Данная область применения, однако, остается недоступной для ZnO из-за трудностей в получении материала р-типа [1]. Одним из важных направлений современных исследований 2пО является поиск подходящих акцепторных примесей.

составит уВ^м^,. Для первого импульса в последовательности на рисунке 2.1 угол поворота намагниченности равен
уВ^ = я/2. (2.8)
Таким образом, после я/2-импульса намагниченность оказывается в плоскости, перпендикулярной постоянному полю В0. Далее магнитные моменты прецессируют в данной плоскости с частотой -уВ0. Однако за счет неоднородности магнитного поля, а также спин-спинового взаимодействия локальные поля для различных магнитных моментов совпадают не полностью, что приводит к расфазировке спиновых пакетов.
Процесс расфазировки можно обратить поворотом спиновых пакетов на угол 180° вокруг направления Вх. Если я-импульс прикладывается после первого импульса через время т, то через 2т спиновые пакеты вновь сойдутся. При этом восстанавливается макроскопическая намагниченность, что приводит к возникновению сигнала спинового эха [9].
За счет спин-спиновой релаксации фазовая когерентность между индивидуальными спиновыми пакетами со временем (т) разрушается, и интенсивность эха уменьшается пропорционально величине ехр(-2г/Г2). Изменяя величину задержки между двумя импульсами, можно измерять времена спин-спиновой релаксации Т2. Время спин-решеточной релаксации также может быть напрямую измерено, если перед последовательностью дополнительно прикладывать л-импульс, инвертирующий намагниченность, и изменять величину задержки между инвертирующим импульсом и детектирующей последовательностью.
Рассмотрим далее так называемое стимулированное спиновое эхо [146]. Импульсную последовательность для наблюдения данного типа спинового эха можно получить, заменив л-импульс в последовательности на рисунке 2.1 двумя л/2-импульсами, разделенными временем задержки Т (см. рисунок 2.2).