Способ регистрации сигналов ядерного магнитного резонанса в твердых телах Советский патент 1984 года по МПК G01N24/08 

V 41Изобретение относится к радиоспектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и физики твердого тела и может быть использовано для изучения магнитных свойств твердых тел, юс струтуры и других физико-хи мическИх характеристик. Информация о свойствах твердых тел в радиоспектроскопии ЯМР извлекается из ширины и формы линия ЯМР. Основными факторами, искащающими форму линии при наблюдении сигналов ЯМР, являются радиочастотное уширение линии (насьщение), которое зависит от амплитуды переменного ради частотного поля Н,, и модуляционное уширение, связанное с амплитудной мо дуляцией постоянного магнитного поля H(j, Модуляционного уширения легк избежать, выбрав величину амплитуды модуляции Hffl 0,1 у D , где У гиромагнитное отношение ядра; D ширина линии ЯМР в единицах частоты Для.регистрации естественной фор мы линии ЯМР в твердых телах обычно используют метод ненасыщающего прохождения через резонанс 1. При зтом величину радиочастотног поля -Н выбирают из соотношения И а а скорость изменения магнитного поля HO из условия ОПо f jfK где у - гиромагнитное отношение; D - ширина линии магнитного резонанса; Т - время спин-решеточной рела сации ядер. Однако этот способ регистрации сигналов ЯМР имеет следующие недостатки. Интенсивность сигнала ЯШ пропорциональна И,, при этом для того, чтобы удовлетворить первому неравенству и наблюдать неуширенную линию ЯМР, необходимо уменьшить Н, а это ведет к уменьшению интенсивности самой линии ЯМР и, следовател но, к снижению чувствительности спо соба. Кроме того, этим .способом невозможно наблюдать сигналы ЯМР ред ких ядер, т.е. ядер, имеющих малую менее 5% естественную распространен ность. Времена спин-решеточной рела сации Т этих ядер в твердых телах могут достигать многих часов, а линии ЯМР иметь малую ширину D 100 Г 312 В этом случае, чтобы удовлетворить указанному первому неравенству, необходимо выбирать H,-i10 -10 Э (при у 10 Гц/Э), а при таких малых значениях Н амплитуда сигналов ЯМР становится ниже уровня шума и сигналы не наблюдаются. Наиболее близким к изобретению является способ регистрации сигналов ЯМР в твердых телах путем освещения образца, помещенного в магнитное поле 2. При этом сигнал ЯМР регистрируют методом быстрого адиабатического прохождения. Условие быстрого адиабатического прохождения удовлетворяет следующему неравенству: 1 т/н, at Для больших значений Т 1 данное неравенство легко выполняется при Н, О: 1 Эй . Однако при использовании известного способа наблюдается искаженная и уширенная линия ЯМР. Ширина ее D -у -g Н 0 Гц, т.е. на порядок больше, чем ширина естественной линии. Кроме того, при использовании данного способа амплитуда наблюдаемых сигналов ЯМР увеличивается лишь в несколько раз по сравнению с равновесными сигналами ЯМР, а для наблюдения неискаженной линии ЯМР методом ненасьщенного прохождения через резонанс требуется увеличение амплитуды сигналов на несколько порядков. Таким образом, чувствительность прототипа оказывается недостаточной для наблюдения неискаженной формы линии ЯМР. Цель изобретения - увеличение чувствительности и получение неискаженной формы линии ЯМР редких ядер. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу регистрации сигналов ЯМР. в твердых телах путем освещения образца, помещенного в магнитное поле, в образце создают заданную концентрацию дефектов со спиновой поляризацией электронов, осуществляют освещение образца светом с энергией квантов, превышающей энергию ионизации дефектов, и осуществляют регистрацию сигналов ЯМР методом ненасыщающего прохождения через резо- 1 нанс, причем спиновая поляризация электронов лри освещении образца отличается от равновесной больцмановской поляризации электронов. Для этого в образце создают дефекты с концентрацией, лежащей в пре делах Ю CM sNi- , со степенью спиновой поляризации Pg электронов, отвечающей соотнощению Pg ф PgQ при освещении, а освещение производят светом с энергией квантов Е Е;, где PgQ - равновесная больдмановская поляризация электронов; Е - энергия ионизации дефектов. Сильная динамическая поляризация ядер в образце возникает в том случа если в образце содержатся дефекты, имеющие электронную спиновую поляризацию Рр, отличающуюся при освещении от равновесной больцмановской поляризации Pg . Таким свойством обладают в твердых телах дефекты, включающие оборванные связи. Спиновая поляризация электронов на оборванных связях при освещении образца не несколько порядков превосходит равновесную больцмановскую поляризацию. Сверхтонкое взаимодействие ядер рещетки образца с такими сильно поляри зованными электронами приводит к воз никновению ядерной поляризации, на несколько порядков превьшающей равновесную ядерную поляризацию, что обуславливает-увеличение регистрируемых сигналов ЯМР на несколько поряд ков и,следовательно, увеличении чувствительности предлагаемого способа. Дефекты, включающие оборванные связи, можно создать в твердом теле например, ионизирующим излучением: облучением образца быстрыми электронами, нейтронами, у -квантами или механическим воздействием, например пластической деформацией, а также термообработкой. Необходимую концен рацию вводимых дефектов можно легко получить, подбирая дозу облучения, степень деформации образца, температуру нагрева и скорость охлаждения. Концентрация вводимых дефектов должна быть не менее так как при меньшей концентрации не уда ется получить регистрируемую ядерну поляризацию при освещении. При концентрации дефектов более см эти дефекты уже оказывают влияние на форму линии ЯМР. Освещение образца производят светом с энергией квантов, превосходящей энергию ионизации дефекта, так как спиновая поляризация электронен (Р е РЙО) возникает при захвате электронов из зоны проводимости на возбужденные уровни энергии дефекта. Интенсивность света целесообразно выбирать такой, чтобы количество фотонов, падающих на 1 см поверхности образца в единицу времени, превосходило концентрацию дефектов в образце. Однако чрезвычайно интенсивные световые потоки, более 10 фот/см, могут привести к разогреву и разрушению образца. После освещения образца осуществляют регистрацию сигналов ЯМР с помощью радиоспектрометра ЯМР, причем величину радиочастотного поля Н выбирают из первого указанного условия, чтобы реализовать условия ненасыщенного прохождения через резонанс и получить неискаженную форму линии ЯМР. На чертеже представлены регистрируемые сигналы ЯМР в образце монокристаллического чистого кремния с концентрацией исходных примесей менее и не содержащего дефектов с оборванными связями (кривая 1) и после облучения этого образца нейтронами, где на кривой 2 представлен сигнал поглощения ядер 295i; на кривой 3 - сигнал дисперсии; на кривой 4 - сигнал ЯМР ядер 295i, регистрируемьй методом быстрого адиабатического про.хождения. Пример. В качестве образца используют кремний. Кремний содержит ядерный изотоп 29 5i , естественнее содержание которого составляет 4,7%. Время спин-рещеточной релакцсации ядер 29 5 в чистом монокристаллическом кремнии 1 20 ч. Ширина естественной линии ЯМР в кремнии порядка 100 Гц. При этом для наблюдения неискаженной линии ЯМР ядер 29 5t необходимо выбирать напряженность переменного радиочастотного поля Н 10 Э. При И, О: сигнала ЯМР ядер 295, в образце чистого монокристаллического кремния, не содержащего дефс-ктоп с оборванными связями, не наблюдается (кривая 1). Этот образец облучен нейтронами и в нем образовались струкгу51ры в концентрации 10 см . Эта концентрация определяется по интенсивности линий электронного парамагнитного резонанса. До освещения сигнал ЯМР ядер 29 Si в облученном нейтронами кремнии также не наблюдается. Освещение образца осуществляется светом лампы накаливания мощностью 1 кВт в магнитном поле Н g 5 кЭ при температуре жидкого азбта; длительность освещения 1 ч. После освещения образец помещают в магнит радиоспект рометра ЯМР и наблюдается сигнал ЯМР ядер 2954 в условиях ненасьвценного прохождения через резонанс, т.е. при Н,10э, dHo/dt .i ., причем модуляция постоянного магнитного поля HQ не применяется. Сигнал с выхода детектора приемника поступает непосредственно на самописец. На чертеже показаны сигналы ЯМР 1 ядер 29 Si поглощения (кривая 2) и дисперсии (кривая 3), полученные предлагаемым способом. Кривая 4 показывает вид сигнала ЯМР в этом же образце после освещения с использованием метода быстрого адиабатического прохождения через резонанс, т.е. при Н ffil Э. Из сравнения сигналов видно, что при регистрации сигналов ЯМР методом быстрого адиабатического прохождения линия ЯМР уширена более чем на порядок. Таким образом, данный способ позволяет увеличить чувствительность, а также получать неискаженнь1й вид сигналов поглощения и дисперсности, что важно при исследованиях структуры твердых тел, в том числе и при . различных технологических процессах по выращиванию кристаллов.

СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ путем освещения образца, помещенного в магнитное поле, о тличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и получения неискаженной формы линии ЯМР редких ядер, в образце создают заданную концентрацию дефектов со спиновой поляризацией злектронов, осуществляют освещение образца светом с энергией квантов, превьпиающей энергию ионизации дефектов, и осуществляют регистрацию сигналов ЯМР методом ненасьщающего прохождения через резонанс, причем спиновая поляризация электронов при освещении образца отличается от равновесной больцмановской поляризации электронов..