Способ контроля примесей в некубических кристаллах Советский патент 1979 года по МПК G01N27/78 

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРИМЕСЕЙ В НЕКУБИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ

Изобретение относится к способам i контроля и измерения содержания парамагнитных и комплексообразующих примесных центров в выращенных монокристаллах, может быть применено в областя электронной промышленности и приборо- строения. Известен способ определения примесей в кристаллах, основанный на измерении магнитной восприимчивости и крутящих моментов, действующих на монокристалл в однородном магнитном поле l . Однако он трудоемок, требует при менения специальных образцов. Наиболее близким техническим решением является способ контроля примесей в некубических кристаллах, заключающий ся в определении концентрации парамагнитных примесей в них 2. Этот способ основан на методе ; электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Недостатки способа - низкая чувствительность при контроле нелог-ированны монокристаллов, трудоемкостчз общего анализа на содержание парамагнитных примесей. Целью изобретения является повыше- ние чувствительности и экспрессности контроля образцов некубических монокристаллов на предмет содержания в них парамагнитных и комплексообразующих примесных ионов. . Поставленная цель достигается тем, что регистрируют спектр ядерного магнитного резонанса (ЯМР), затем к кристаллу прикладывают переменное электрическое поле, вновь регистрируют спектр ЯМР, и по изменению интенсивностей сигналов ЯМР-судят о концентрации парамагнитных и комплексообразующих примесей. Способ контроля примесей основан на фундаментальном свойстве некубических кристаллов - избирательном возбуждении ядерных квадрупольных переходов переменным электрическим полем. F3 монокристаллах некубической сингонии с осью симметрии не ниже третьего порядка спектр ЯМР квадрупольных резонирующих ядер состоит из 21 компонента. При возбуждении в спин-юистеме квадрупольных переходов с изменейием магнитного квантового числа hi на/Дм/ происходит изменение заселенностей Bce уровней, т, е. изменение интенсивностей линий спею-ра ЯМР. Характер этого изменения н его предельные значения за.висят от механизма спин-решеточной релаксации данных ядер в данном кристалле, а угловая и амплитудные зависимости - от механизма квадрупольной спинфононной связи. По 5ледние, в свою очередь, зависят от Присутствия в кристалле, комплексообразующих гфимесных ионов, а наличие парамагнитных центров определяет магнитный дипольный механизм релаксации. Таким образом, исполь зуя метод двойного резонанса, можно оп леделять и контролировать содержание комплексообразующих и парамагнитных примесей в некубическом кристалле. Иллюстрация метода на примере крис талла корунда АEgO-j , Ядра имеют спин I 5/2. Их спектр ЯМР во внешнем магнитном поле Н Q состоит из пяти линий. Испытуемый образец кристалла помещают в катушку спектрометра ЯМР так, чтобы ось G была перпендикулярна полю HQ . К образ цу с помощью металлических электредов прикладывается переменное электрическое поле вдоль оси С. Значение Е э4к|э (порядка 500 Е/см) выбирается теоретически или экспериментально из условия насыщения спин-системы: W/P 7 -f , где W - вероятность вынужденных квадрупольных переходов, Р - вероятность релаксационных переходов. Частота пере менного электрического поля соответствует возбуждению квадрупольных переходов ядер между уровнями с магнитными квантовыми числами 5/2 и 1/2, а регистрируется центральная линия Зо, соответствующая переходу 1/2 - 1/2, П. и Зп И две сателлитных J соответствую ющие переходам 3/2 - 1/2 и 5/2 - 3/2. Интенсивности этих линий определяются значениями 3xj/3 л- 0,24, 2 / 0,2; По 1 при чисто дипбпьном магнитном механизме спин-решеточной релаксации ядер А Е и . 0,07, Jji 0,09; Ло/ 1,8 при чисто квадрупольном механизме. При смешанном механизме интенсивнЬсти имеют промежуточные значения. На осно вании этих соотношений по данным насы693239щения осуществляется контроль и изме(рение содержания парамагнитных примесей в образце вплоть до весьма : малых относительны концентраций ( 1О), При отсутствии в образце комплексо- образующих ионов вероятность вьшужден- ных квадрупольных переходов W определяется чисто кристаллическим механизмом квадрупольной спин фононной связи с характерной для нее угловбй зависи- , мостью. При данной ориентации кристал:ла AEgO в электрическом и магнитном полях она имеет максимальное значение, определяемое выражением: OjOSSX e Q 2ЬО где е - заряд электрона, - постоянная Планка, R действующее значение тензора R , связывающего приложенное ; электрическое поле зФФ возбуждаемыми им градиентами кристаллического поля 7 Е ; при приложении поля Е эфФ Р пендикулярно оси С и прочих равных условиях (/ О. Если же кристалл содержит комплексообразующие ионы, происходит усиление дефектного механизма i..: квадрупольной спин-фононНой связи, который снимает угловую зависимость насыщения. . Также как и; другие радиоспектроскопические методы, этот способ является относительным, т. е. нуждается в предварительной градуировке по эталонному образцу, однако в отличие от ЭПР, применяемая в этом случае техника более проста, а осуществление контроля по сигналу от ядер вещества, а не от ионов примеси (которых может быть очень мало в нелегированных кристаллах) позволяет примерно на 2 порядка повысить абсолютную чувствительность измерений. Наиболее перспективным направлением использования даннЪго метода является автоматизация контроля готовых изделий. Так, измеряя усиление линии центрального перехода можно эадатьлюбойцифровой критерий чистоты монокристалла и на основа- НИИ этого производить разбраковку изделий. Например, условие 1,2 в кристаллах лейкосапфира реализуется при .концентрации парамагнитных примесей менее 1О . , Предложенный способ контроля примесей в некубических кристаллах обладает высокой чувствительностью, позволяет контропировать наличие парамагнитных и ком плексообраэующих примесей даже в нелегяровднвых образцах, значительно сокращает продолжительность и материальные затраты на разбраковку кристаллов при поточном производ тве. Формула изобретения Способ контроля примесей в некубических кристаллах, заключающийся в определении концентрации парамагнитных примесей в них, отличающийс я тем, что, с целью повышения чувствительности и экспрессности контроля, регистри эуют спектр ЯМР, затем к кристаллу прикладывают переменное алек трическое поле, вновь регистрируют спектр ЯМР, и по измененшо интенсивностей сигналов ЯМР судят о концентрации парамагнитных и комплексообразующих примесей. Источники информации принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 163785, кл. в Ol.N 27/72, 1962. 2.Авторское свидетельство СССР NO 146597, кл. Q 01 N 27/78, 1961 {прототип).