Способ определения степени совершенства кристаллической структуры диэлектриков Советский патент 1984 года по МПК G01N24/10 

Изобретение относится к электронной радиоспектроскопии, а именно к способам контроля степени совершенства кристаллической структуры диэлектриков, в частности - кварца, содержащих парамагнитные центры, с которыми связан электрический дипольный момент.

Это центры типа: парамагнитный центр примесь, парамагнитный центр - вакансия, ян-теллеровские центры, нецентральные ионы, молекулярные центры с дипольным моментом и другие парамагнитные примеси с ориентационным вырождением.

Достаточно широкое распространение при решении указанных задач имеют методы, основанные на радиоспектроскопических исследованиях: метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Известен способ контроля примесей в некубических кристаллах, позволяющий судить о дефектности кристаллов по изменению интенсивности сигналов ЯМР 1.

Однако способ применим для исследования лишь тех материалов, магнитные ядра которых имеют квадрупольный момент, что значительно сужает границы применения метода. Так, например, кварц, исследование кристаллической структуры которого имеет важное практическое значение, указанным методом исследован быть не может.

Более простым в реализации и одновременно достаточно информативными являются способы исследования кристаллической структуры, основанные на использовании электронного парамагнитного резонанса.

В указанных способах используется явление сдвига резонансных частот парамагнитных центров под влиянием внутренних электрических полей, порожденных точечными дефектами и дислокациями. Это ведет к уширению линий ЭПР и соответственно к уменьшению их интенсивности, что используется при оценках дефектности кристаллов.

Наиболее близким к изобретению является способ определения степени соверщенства кристаллической структуры диэлектриков, включающий регистрацию спектров электронного парамагнитного резонанса исследуемого образца 2.

К недостаткам известного способа следует отнести то, что он применим лишь к объектам, характеризующимся наличием парамагнитных центров со спином больше 1/2, в спектрах которых проявляется так называемая тонкая структура и параметры спин-га.мильтониана которых зависят от внутренних электрических полей, порожденных дефектами структуры.

Однако во многих веществах, в частности в кварце, такие спектры, как правило, отсутствуют. Кроме того, необходимость многократной переориентации образца в процессе исследований усложняет реализующее способ оборудование и связано с целым рядом практических трудностей и неудобств.

Точность этого метода также невысока, так как необходима многократная запись спектров ЭПР и, кроме того, в уширение лийий могут вносить заметный вклад механизму, не связанные с внутренними электрическими полями, порожденными дефектами структуры.

Цель изобретения - расщирение диапазона исследуемых материалов при одновременном упрощении процесса исследований и повышении точности.

Поставленная цель достигается тем, что

0 согласно способу определения степени совершенства кристаллической структуры диэлектриков, включающему регистрацию спектров электронного парамагнитного резонанса образца, проводят вторичную регистрацию спектров электронного парамагнитного резонанса при воздействии на образец внешним электрическим полем, напряженность Е которого должна удовлетворять

УСЛОВИЮJ

2К т -

0 где К - постоянная Больцмана; Т - температура кристалла; d дипольный момент, и по изменению интенсивности сигналов электронного парамагнитного резонанса, по сравнению с интенсивностью сигналов 5 электронного парамагнитного резонанса при Е 0, находят Да .:- ширину функции распределения внутренних электрических полей, по которой из соотнощения Etf определяют величину напряженности средQ него внутреннего электрического поля Еер, которая характеризует степень соверщенства кристаллической структуры образца.

На чертеже представлена калибровочная кривая, позволяющая определить степень совершенства структуры диэлектри5 ков.

Прикладываемое внешнее электрическое поле может быть как постоянным, так и переменным. Последнее целесообразно использовать при исследовании таких объектов, в которых реализуется релаксационный магнитоэлектрический эффект и имеет место квазистационарный рост намагниченности спиновой системы.

Напряженность внешнего электрического поля Е выбирается из следующих со5 ображений. Изменение сигналов ЭПР электрическим полем определяется степенью локализации царамагнитных центров в одной из структурных позиций. При этом степень локализации возрастает при увеличении энергии d Е и уменьшается с ростом 2 кТ. Экспериментальные исследования и расчеты интенсивности сигналов ЭПР от поля Е позволяют установить, что оптимальные значения Е для определения степени совершенства кристаллов следует выбирать и условия .G При уменьшении величина изменения сигнала ЭПР полем Е уменьшается, что снижает точность метода, а при ,ctp больших значениях -гкт зависимость интенсивности сигнала ЭПР от электрического поля «выходит на полку, что также снижает точность метода. В соответствии с вышеуказанным, предлагаемый способ предусматривает двукратное получение спектров ЭПР образца: без внешнего электрического поля и в присутствии такового. Анализируя затем величину появляюшегося в присутствии внешнего поля изменения интенсивности спектров ЭПР и в сравнении с их интенсивностью при отсутствуюшем поле можно судить о наличии порождаемых дефектами структуры хаотических электрических полей, а, следовательно, о степени совершенства структуры. Пи этом целесообразно использовать калибровочную кривую, показанную на чертеже, соответствующую исследованиям в присутствии постоянного внешнего электрического поля. По оси ординат отложены значения отношения интенсивности сигналов ЭПР в присутствии внешнего поля У.(Е) к их интенсивности при отсутствующем поле - VP, а по оси абсцисс - значение , характеризующее степень дефектности структуры исследуемого образца. Приведенная калибровочная кривая может быть получена расчетным путем. Эта же калибровочная кривая может быть получена и экспериментальным путем, если степень дефектности кристалла изучена какимлибо другим методом, например методом параэлектрического резонанса. Ниже приведены примеры практической реализации предлагаемого способа на материале исследований кристаллов синтетического и природного кварца. Исследованиям подвергаются образец синтетического кварца (образец 1), природного дымчатого кварца (образец 2) и природного кварца из так называемых морионов (образец 3), которые характеризуются значительной степенью дефектности. Концентрация центров А1-0 - в исследованных образцах становит порядка Исследования проводятся в трехсантиметровом диапазоне волн с помощью обычной методики получения спектров ЭПР. При вторичном получении спектров к образцам прикладывают внешнее электрическое поле напряженностью Е 45-|. Для исследования образцов 1, 2 и 3 значения - составляют соответственно 1,65, 1,45 и 1,35 в постоянном электрическом поле. Находя соответствующие точки на калибровочной кривой, изображенной на чертеже, и проецируя их на ось , находим показатели дефектности структуры (точки 1, 2 и 3 на оси ). Как видно на чертеже, эти значения тем выще, чем менее совершенная кристаллическая структура образца, и равны соответственно 0,47; 1, 2 и 1,9. Среднее внутреннее электрическое поле, порожденное дефектами кристаллической структуры - Ecf, можно оценить исходя из выражения До d-Ecf). Тогда, с учетом определенных на опыте значений значение Е ее, которое характеризует степень дефектности кристалла, для образцов 1, 2 и 3 оказывается равным 16, 42 и 66 . Таким образом, предлагаемый способ определения степени совершенства кристаллической структуры диэлектриков позволяет существенно повысить точность способа, получить количественную информацию о совершенстве структуры исследуемого материала и отличается при этом простотой и оперативностью.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ СОВЕРШЕНСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ, включащий регистрацию спектров электронного парамагнитного резонанса образца, отличающийся тем. что, с целью расширения диапазона исследуемых материалов при У() 1в-/-б-: М-I.ZW-; т 3 одновременном упрощении процесса исследований и повышения точности, проводят вторичную регистрацию спектров электронного парамагнитного резонанса при воздействии на образец внешним электрическим полем, напряженность Е которого должна удовлетворять условию где к -г-постоянная Больцмана; Т - температура кристалла; ci - дипольный мо.мент, и по изменению интенсивности сигналов электронного парамагнитного резонанса, по сравнению с интенсивностью сигналов электронного парамагнитного резонанса при , находят AQ...- ширину функции распределения внутренних электрических полей, по которой из соотношения Etp определяют величину напряженности средсл него внутреннего электрического поля Еер... которая характеризует степень совершенства кристаллической структуры образца. 4 о со кТ