ЭПР и оптические исследования дефектов в широкозонных материалах и разработка методов высокочастотной радиоспектроскопии

• Автор: Бабунц, Роман Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 91 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

I. Обзор литературы

1.1. Исследования эрбия в полупроводниках и диэлектриках, перспективных для использования в оптоэлектронике, методами ЭПР и оптической спектроскопии.
1.2. Метод оптически детектируемого магнитного резонанса и его использование для исследования наноструктур.
1.3. Исследования микро- и нанокристаллов, встроенных в кристаллическую матрицу щелочногалоидного кристалла.

1.4. Метод циклотронного резонанса.

1.5. Особенности использования современных методов высокочастотного магнитного резонанса для исследования кристаллических материалов и наноструктур на их основе.

1.6. Цели работы

II. Методика эксперимента

2.1. Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и спектрометр ЭПР
3-см и 8-мм диапазонов
2.2. Метод оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) и установка ОДМР 8 мм диапазона
2.3. Приготовление образцов
2.3.1. Кристаллы карбида кремния с примесью эрбия
2.3.2. Поликристаллы а-А120з с примесью эрбия
2.3.3. Микро- и нанокристаллы AgCl в кристаллической матрице КС1
2.3.4. Квантовые точки на основе ZnO
2.3.5. Кристаллический кремний
III. Ионы эрбия в широкозонных материалах, перспективных для применений в оптоэлектронике
3.1. ЭПР и люминесценция ионов эрбия Ег3+ в объемных кристаллах карбида кремния
3.2. ЭПР ионов Ег3+ в поликристаллическом а-А120з
IV. Исследования микро- и нанокристаллов А§С1 в кристаллической матрице КС1 методами ЭПР и ОДМР.

4.1. Экспериментальные результаты
4.2. Обсуждение результатов
V. Разработка установки высокочастотного ЭПР и ОДМР 3-мм диапазона
5.1. Общая методика проведения исследований и блок-схем спектрометра
5.2. Микроволновый блок и резонаторная система
5.3. Создание аппаратного и программного обеспечения для управления 68 спектрометром
5.4. Разработка методов настройки и калибровки 3 мм спектрометра с 72 использованием малых магнитных полей
5.5. Применение высокочастотного спектрометра ЭПР/ОДМР 3 мм диапазона 75 для оптического детектирования магнитного резонанса в кристаллах KCPAgCI, квантовых точках на основе ZnO, и циклотронного резонанса в кремнии в высокочастотном 3 мм диапазоне
5.5.1. Регистрация ЭПР рекомбинирующих электронных и дырочных 75 центров по туннельному послесвечению облученных кристаллов KCLAgCl.
5.5.2. Идентификация донорных и акцепторных центров по туннельному 79 послесвечению в нанокристаллах на основе ZnO.
5.5.3. Оптическое детектирование циклотронного резонанса на частоте 94 82 ГГц в кристаллическом кремнии.
Заключение
Литература
Список публикаций по теме диссертации
Введение

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), открытый в 1944 г. Е.К. Завойским, стал одним из мощных методов физического исследования. ЭПР и родственные с ним методы составляют раздел радиоспектроскопии и являются спектроскопией на уровне микро- и нано-электронвольт, то есть это очень тонкий инструмент для изучения малых расщеплений энергетических уровней различных систем под действием внешнего магнитного поля, а также воздействий внутри исследуемых систем. ЭПР позволяет определять структуру энергетических уровней магнитных центров, структуру дефектов, осуществлять химическую идентификацию примесей и их зарядовое состояние, проводить зондирование волновых функций неспаренных электронов, изучать тонкие детали строения кристаллической решетки и т. д. Область применения ЭПР чрезвычайно широка и включает физику твердого тела, физику полупроводников, физику наноструктур, химию, биофизику, медицину.
Особое место в спектроскопии ЭПР занимают исследования ионов редкоземельных (РЗ) элементов в различных кристаллических матрицах, поскольку эти элементы имеют незаполненные /оболочки с неспаренными электронами. В последнее время широкое распространение получили поиски и исследование полупроводниковых материалов с примесью редкоземельных элементов для создания приборов оптоэлектроники. Главный интерес представляют ионы эрбия Ег3+, потому что переход 41т -> 'Л5/2 внутри 4/-оболочки этих ионов, соответствующий длине волны в области 1.54 мкм, находится в минимуме поглощения основанных на кварце оптоволоконных систем. Так как инфракрасная (ИК) люминесценция в области 1.54 мкм возникает из-за переходов в 4/-оболочке, которая эффективно экранируется внешними заполненными оболочками, взаимодействие иона эрбия с окружающей матрицей ослаблено, и длина волны люминесценции практически не зависит от материала полупроводника. Ожидается, что полупроводниковые лазерные диоды и оптические усилители, работающие на переходе 41за —» 4/и/2 ионов Ег3+ будут менее чувствительны к температурным изменениям, чем приборы, использующие межзонную рекомбинацию. Исследованиям люминесцентных свойств РЗ элементов в системах А3В5 и особенно в кремнии посвящено огромное число работ, однако основной проблемой, тормозящей применение этих материалов для создания оптоэлектронных приборов, является низкий выход люминесценции при комнатной температуре. Температурное тушение ИК люминесценции эрбия уменьшается с увеличением ширины запрещенной зоны

Формула (2) позволяет получить величины энергии активации возгорания и тушения люминесценции по наклону прямой в координатах 1п(/0//-1)~1/Г. График зависимости интенсивности ФЛ от температуры в этих координатах для двух участков температур, на которых происходит возгорание и тушение люминесценции эрбия, показан на Рис. 5(Ь). Произведенная оценка величин энергии активации Ел возгорания и тушения люминесценции Ег3+ дала величины Ел ~ 130+20 мэВ и Ел ~ 350±20 мэВ, соответственно.
Сплошными линиями на Рис. 5(Ь) показаны теоретические зависимости, рассчитанные по формуле (2) с использованием приведенных выше значений энергий активации. Для описания указанных процессов мы исходили из грубых оценок и аппроксимировали каждый процесс только одной экспонентой, хотя в принципе не исключено, что процесс более сложный и описывается суммой экспонент с несколькими энергиями активации и приведенные величины энергий соответствуют неким усредненным значениям.
Были проведены таюке исследования ФЛ в кристаллах 6Н-Б1С:Ег, в которые методом высокотемпературной диффузии был введен бор. При этом проводимость кристаллов изменилась на р-тип. После введения бора интенсивность спектров ЭПР ионов Ег3+ уменьшилась практически до нуля, при этом интенсивность ФЛ этих ионов заметно не изменилась. До введения бора это были кристаллы «-типа, в которых наблюдались спектры ЭПР всех перечисленных выше центров эрбия. Диффузия бора привела к некоторому изменению относительных интенсивностей ФЛ эрбия и ванадия: в кристаллах р-типа относительная интенсивность эрбиевой люминесценции несколько снижена. Относительные интенсивности отдельных линий ФЛ ионов Ег3+ и температурные зависимости ФЛ этих ионов практически не изменились.
Как уже отмечалось выше, в кристаллах, в которых наблюдалась ИК люминесценция ионов Ег3+, были зарегистрированы спектры ЭПР несколько типов центров ионов Ег3+, характеризующихся различной симметрией. Наблюдение сверхтонкой структуры эрбия однозначно показало, что спектры ЭПР принадлежат одиночным ионам Ег3+, не входящим в примесные кластеры (например, пары Ег-Ег). На основании сравнения ионных радиусов эрбия Ег3+ с радиусами кремния и углерода был сделан вывод, что эрбий по всей вероятности занимает позиции кремния в БЮ. На Рис. б показаны модели центров эрбия в бН-БЮ, предложенные на основании данных ЭПР. В аксиальных центрах эрбий замещает кремний и находится в регулярной решетке (Рис. 6(а), показана гексагональная позиция в решетке).