Ионная имплантация минералов и их синтетических аналогов

• Автор: Лопатин, Олег Николаевич
• Шифр специальности: 25.00.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 206 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Ионная имплантация и постимплантационный отжиг

1.2. Адсорбционная и люминесцентная оптическая спектроскопия

1.3. Рентгендифрактометрическин и термомагнитный анализ

1.4. Радиоспектроскопические и другие методы исследований

Глава 2. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ ОКСИДОВ

2.1. Кварц

2.1.1. Имплантация ионов железа

2.1.2. Имплантация ионов марганца

2.2. Корунд
2.2.1. Имплантация ионов кобальта
2.2.2. Имплантация ионов марганца
2.3. Рутил
2.3.1. Имплантация ионов кобальта
2.3.2. Имплантация ионов железа
2.3.3. Имплантация ионов марганца
Глава 3. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ СИЛИКАТОВ
3.1. Оливин
3.1.1. Имплантация ионов марганца
3.1.2. Имплантация ионов хрома
3.2. Берилл
3.2.1. Имплантация ионов железа
3.2.2. Имплантация ионов ванадия

3.3. Адуляр
3.3.1. Имплантация ионов марганца
3.3.2. Имплантация ионов ванадия
3.3.3. Имплантация ионов кобальта
Глава 4. ОБЩИЕ КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ИМПЛАНТАНТОВ
4.1. Локализация ионов имплантированных химических элементов в пространстве кристаллических структур минералов и их синтетических аналогов
4.2. Нанотехнологические аспекты ионно-лучевой обработки минеральных веществ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена комплексному экспериментальному изучению минералов и их синтетических аналогов, свойства которых модифицированы высокодозной ионной имплантацией.
Имеющийся на сегодняшний день, значительный экспериментальный и теоретический потенциал знаний в области кристаллохимии и физики минералов, находит себе весьма широкое применение в различных областях естественных наук, а также в промышленности и отраслях хозяйственной деятельности. Одним из приоритетных направлений в настоящее время являются фундаментальные и прикладные работы в области нанотехнологий, открывающие новые перспективы в самых различных направлениях. В'этом отношении актуальность тематики диссертации определяется возможностью расширения- и использования минерально-сырьевой базы за счет создания новых минеральных веществ с заведомо прогнозируемыми и. заданными физическими и технологическими-свойствами.
Диссертация написана по материалам более чем пятнадцатилетних исследований, выполненных автором на кафедре минералогии и петрографии Казанского государственного университета. Все работы по высокодозной ионной имплантации проводились в альянсе с исследователями лаборатории Радиационной Физики Казанского Физико-технического института РАН. Для изучения получаемых, имплантационно обработанных образцов
привлекались методы адсорбционной и люминесцентной оптической спектроскопии, методики рентгендифрактометрического и термомагнитного анализов, ЭПР-, ЯГР- спектроскопии и ряда других экспериментальных методов физики твердого тела. В процессе работы, на примере оксидных и силикатных минералов и их синтетических аналогов была проведена высокодозная ионная имплантация ряда элементов группы железа (железо, марганец, кобальт, хром, никель, ванадий и др.) в более чем сто образцов и

механизм изоморфного вхождения имплантируемых ионов начинает реализовываться еще на стадии собственно имплантации, до этапа постимплантационной термической обработки кристаллов кварца.
Известно, что в кристаллах силикатных минералов и их синтетических аналогов примесь трехвалентного железа может присутствовать как в виде дырочного центра (Ре04)4', который излучает свет в области длин волн с максимумом при 520 - 540 нм, так и в виде оптически-активного центра Ре3+, излучающего в волновом диапазоне 680 - 720 нм [38]. Таким образом, наблюдаемые изменения в оптических спектрах фотолюминесценции имплантированных и последовательно отожженных образцов кварца (горного хрусталя) обусловлены примесными дефектами, которые представлены как комплексами (ТеСТО4", так и изолированными Ре3+ центрами (РеО.})5'.
Проведенные экспериментальные исследования по высокодозной имплантации ионов железа в кристаллическую структуру природного кварца с последующим высокотемпературным отжигом кристаллов и интерпретация полученных результатов позволяют утверждать следующее:
Ионы железа, имплантированные в кристаллическую матрицу кварца, в результате высокотемпературного отжига локализуются в пределах тонкого, приповерхностного слоя, образуя в кварце самостоятельную, мелкодисперсную минеральную фазу гематита. Тонкораспыленный гематит определяет наличие у облученных и последовательно отожженных образцов кварца оранжевой окраски. Вместе с тем, ионная имплантация приводит и к изоморфному вхождению ионов имплантируемого химического элемента (железа) в структуру минерала.
2.1.2. Имплантация ионов марганца
Высокодозная имплантация ионов марганца в исходно бесцветные образцы кварца привела в потемнению последних, причем густота и