ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью

ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью

В данном исследовании проведена модификация функциональных узлов спектрометра электронного парамагнитного резонанса с целью расширения рабочего интервала температур и предложена оригинальная резонансная ячейка в виде двухзеркального открытого резонатора для регистрации спектров поглощения различных...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Радіофізика та електроніка
Datum:2013
Hauptverfasser: Бeкиров, Б.Э., Иванченко, И.В., Луханин, А.А., Попенко, Н.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2013
Schlagworte:
Прикладная радиофизика
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106013
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью / Б.Э. Бeкиров, И.В. Иванченко, А.А. Луханин, Н.А. Попенко // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 4. — С. 86-91. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106013
record_format dspace
spelling Бeкиров, Б.Э.
Иванченко, И.В.
Луханин, А.А.
Попенко, Н.А.
2016-09-15T06:17:26Z
2016-09-15T06:17:26Z
2013
ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью / Б.Э. Бeкиров, И.В. Иванченко, А.А. Луханин, Н.А. Попенко // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 4. — С. 86-91. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
1028-821X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106013
537.868:621.3.029.65
В данном исследовании проведена модификация функциональных узлов спектрометра электронного парамагнитного резонанса с целью расширения рабочего интервала температур и предложена оригинальная резонансная ячейка в виде двухзеркального открытого резонатора для регистрации спектров поглощения различных веществ в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн в интервале температур Т = 1,7…300 К. Приведены спектры поглощения бесщелевого полумагнитного полупроводника HgSe:Fe на частоте 123 ГГц, иллюстрирующие преимущества использования предложенного резонатора в составе спектрометра при изучении высокочастотных магниторезонансных свойств веществ с высокой проводимостью.
У роботі проведено модифікацію функціональних вузлів спектрометра електронного парамагнітного резонансу з метою розширення робочого інтервалу температур та запропоновано оригінальну резонансу комірку у вигляді дводзеркального відкритого резонатора для реєстрації спектрів поглинання різних сполук у короткохвильовій частині міліметрового діапазону довжин хвиль в інтервалі Т = 1,7…300 К. Наведено спектри ЕПР безщілинного напівмагнітного напівпровідника HgSe:Fe на частоті 123 ГГц, що ілюструють переваги використання запропонованого резонатора у складі спектрометра при вивченні високочастотних магніторезонансних властивостей сполук з високою провідністю.
The modification of the functional units of the electron paramagnetic resonance spectrometer with the aim to enlarge the operating temperature range has been realized. Furthermore, the original resonant cell as a two-mirror open resonator for the registration of absorption spectra of various substances in the short-wave part of the millimeter range within the temperature limits Т = 1.7…300 K is proposed. The electron paramagnetic resonance spectra for the gapless semimagnetic semiconductor HgSe:Fe measured at a frequency of 123 GHz are shown. These spectra illustrate the benefits of the proposed resonant cell used in the spectrometer while studying high-frequency magnetoresonance properties of substances with high conductivity.
ru
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
Радіофізика та електроніка
Прикладная радиофизика
ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью
ЕПР-спекрометр міліметрового діапазону для дослідження зразків з високою провідністю
Millimeter EPR spectrometer for studying the samples with high conductivity
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью
spellingShingle ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью
Бeкиров, Б.Э.
Иванченко, И.В.
Луханин, А.А.
Попенко, Н.А.
Прикладная радиофизика
title_short ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью
title_full ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью
title_fullStr ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью
title_full_unstemmed ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью
title_sort эпр-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью
author Бeкиров, Б.Э.
Иванченко, И.В.
Луханин, А.А.
Попенко, Н.А.
author_facet Бeкиров, Б.Э.
Иванченко, И.В.
Луханин, А.А.
Попенко, Н.А.
topic Прикладная радиофизика
topic_facet Прикладная радиофизика
publishDate 2013
language Russian
container_title Радіофізика та електроніка
publisher Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
format Article
title_alt ЕПР-спекрометр міліметрового діапазону для дослідження зразків з високою провідністю
Millimeter EPR spectrometer for studying the samples with high conductivity
description В данном исследовании проведена модификация функциональных узлов спектрометра электронного парамагнитного резонанса с целью расширения рабочего интервала температур и предложена оригинальная резонансная ячейка в виде двухзеркального открытого резонатора для регистрации спектров поглощения различных веществ в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн в интервале температур Т = 1,7…300 К. Приведены спектры поглощения бесщелевого полумагнитного полупроводника HgSe:Fe на частоте 123 ГГц, иллюстрирующие преимущества использования предложенного резонатора в составе спектрометра при изучении высокочастотных магниторезонансных свойств веществ с высокой проводимостью. У роботі проведено модифікацію функціональних вузлів спектрометра електронного парамагнітного резонансу з метою розширення робочого інтервалу температур та запропоновано оригінальну резонансу комірку у вигляді дводзеркального відкритого резонатора для реєстрації спектрів поглинання різних сполук у короткохвильовій частині міліметрового діапазону довжин хвиль в інтервалі Т = 1,7…300 К. Наведено спектри ЕПР безщілинного напівмагнітного напівпровідника HgSe:Fe на частоті 123 ГГц, що ілюструють переваги використання запропонованого резонатора у складі спектрометра при вивченні високочастотних магніторезонансних властивостей сполук з високою провідністю. The modification of the functional units of the electron paramagnetic resonance spectrometer with the aim to enlarge the operating temperature range has been realized. Furthermore, the original resonant cell as a two-mirror open resonator for the registration of absorption spectra of various substances in the short-wave part of the millimeter range within the temperature limits Т = 1.7…300 K is proposed. The electron paramagnetic resonance spectra for the gapless semimagnetic semiconductor HgSe:Fe measured at a frequency of 123 GHz are shown. These spectra illustrate the benefits of the proposed resonant cell used in the spectrometer while studying high-frequency magnetoresonance properties of substances with high conductivity.
issn 1028-821X
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106013
citation_txt ЭПР-спектрометр миллиметрового диапазона для исследования образцов с высокой проводимостью / Б.Э. Бeкиров, И.В. Иванченко, А.А. Луханин, Н.А. Попенко // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 4. — С. 86-91. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT bekirovbé éprspektrometrmillimetrovogodiapazonadlâissledovaniâobrazcovsvysokoiprovodimostʹû
AT ivančenkoiv éprspektrometrmillimetrovogodiapazonadlâissledovaniâobrazcovsvysokoiprovodimostʹû
AT luhaninaa éprspektrometrmillimetrovogodiapazonadlâissledovaniâobrazcovsvysokoiprovodimostʹû
AT popenkona éprspektrometrmillimetrovogodiapazonadlâissledovaniâobrazcovsvysokoiprovodimostʹû
AT bekirovbé eprspekrometrmílímetrovogodíapazonudlâdoslídžennâzrazkívzvisokoûprovídnístû
AT ivančenkoiv eprspekrometrmílímetrovogodíapazonudlâdoslídžennâzrazkívzvisokoûprovídnístû
AT luhaninaa eprspekrometrmílímetrovogodíapazonudlâdoslídžennâzrazkívzvisokoûprovídnístû
AT popenkona eprspekrometrmílímetrovogodíapazonudlâdoslídžennâzrazkívzvisokoûprovídnístû
AT bekirovbé millimetereprspectrometerforstudyingthesampleswithhighconductivity
AT ivančenkoiv millimetereprspectrometerforstudyingthesampleswithhighconductivity
AT luhaninaa millimetereprspectrometerforstudyingthesampleswithhighconductivity
AT popenkona millimetereprspectrometerforstudyingthesampleswithhighconductivity
first_indexed 2025-11-26T01:42:40Z
last_indexed 2025-11-26T01:42:40Z
_version_ 1850602387420479488
fulltext ППРРИИККЛЛААДДННААЯЯ РРААДДИИООФФИИЗЗИИККАА _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2013. Т. 4(18). № 4 © ИРЭ НАН Украины, 2013 УДК 537.868:621.3.029.65 Б. Э. Бeкиров, И. В. Иванченко, А. А. Луханин*, Н. А. Попенко Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина buran@ire.kharkov.ua *Институт физики высоких энергий и ядерной физики ННЦ ХФТИ 1, ул. Академическая, Харьков, 61108, Украина ЭПР-СПЕКТРОМЕТР МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ С ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ Бесщелевые полумагнитные полупроводники с резонансным донорным уровнем и смешанной валентностью представ- ляют фундаментальный и прикладной интерес. Высокая подвижность в них зонных электронов позволяет использовать практичес- ки весь арсенал современных методов и средств изучения физических свойств твердых тел. Эффективным методом исследования магниторезонансных свойств данного класса полупроводников является метод электронного парамагнитного резонанса. Однако из-за высокой проводимости этих полупроводников повышаются требования к чувствительности соответствующих спектрометров, которая в значительной степени определяется электродинамическими свойствами используемой в нем резонансной ячейки. Проблема усугубляется при проведении исследований в коротковолновой области миллиметрового диапазона длин волн, где глуби- на скин-слоя составляет единицы микрон. В данном исследовании проведена модификация функциональных узлов спектрометра электронного парамагнитного резонанса с целью расширения рабочего интервала температур и предложена оригинальная резо- нансная ячейка в виде двухзеркального открытого резонатора для регистрации спектров поглощения различных веществ в коротко- волновой части миллиметрового диапазона длин волн в интервале температур Т = 1,7…300 К. Приведены спектры поглощения бесщелевого полумагнитного полупроводника HgSe:Fe на частоте 123 ГГц, иллюстрирующие преимущества использования пред- ложенного резонатора в составе спектрометра при изучении высокочастотных магниторезонансных свойств веществ с высокой проводимостью. Ил. 8. Библиогр.: 8 назв. Ключевые слова: спектрометр, резонансная ячейка, распределение электромагнитного поля, полупроводник, спектр поглощения. Для изучения спектров поглощения ве- ществ в миллиметровом (мм) диапазоне длин волн используются различные типы спектромет- ров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В тех ситуациях, когда объектом исследования являются образцы с высокой проводимостью (на- пример, класс бесщелевых полупроводников), необходимо принятие специальных мер для регист- рации спектров ЭПР, поскольку данные образцы вносят большие потери в используемый резо- нансный контур, электромагнитная волна быстро затухает в образце и «рабочим» является лишь объем образца, сосредоточенный в его скин-слое. Среди многочисленных объектов иссле- дования фундаментальный и прикладной интерес представляют кристаллы HgSe:Fe. Это бесщеле- вой полумагнитный полупроводник с легирующей примесью железа и смешанной валентностью из ионов Fe2+ и Fe3+ при концентрациях железа NFe > 4,5·1018 см–3 [1]. При этом ионы Fe2+ обра- зуют резонансный донорный уровень, локализо- ванный при энергии 0,21 эВ выше дна зоны про- водимости и при дальнейшем увеличении содер- жания железа ионы Fe3+ становятся основными центрами рассеяния электронов в этих кристаллах при низких температурах. Характерной особен- ностью данного полупроводника является силь- ное обменное взаимодействие между локализо- ванными спинами магнитных ионов и спинами электронов проводимости. Данный факт, а также возможность варьирования этой величиной путем изменения состава полупроводника свидетельст- вуют о перспективности применения данных кристаллов в спиновой электронике [2, 3]. В работах [4, 5] на 3-см спектрометре ЭПР впер- вые были проведены исследования спектров ЭПР кристаллов HgSe:Fe при температурах T < 50 К, имеющих высокую удельную проводимость δ = 500 000 См/м. При регистрации спектров ЭПР на частотах 120…150 ГГц глубина скин-слоя ис- следуемого образца уменьшается и составляет величину δ ≈ 2 мкм. В результате малых величин коэффициента заполнения резонатора чувстви- тельность спектрометра уменьшается. Целью работы является модернизация функциональных узлов спектрометра ЭПР и вы- бор адекватной резонансной ячейки для регист- рации спектров поглощения различных веществ с высокой проводимостью в коротковолновой части мм диапазона длин волн в широком интервале температур. 1. Температурная вставка. Для иссле- дования спектров ЭПР в интервале температур 1,7…300 К использовалась модифицированная вставка в стандартный наливной криостат 4Не. На рис. 1 схематически показана схема вставки, на которой цифрами обозначены основные ее эле- менты: 1 – предварительный нагреватель; 2 – дрос- сель; 3 – основной нагреватель; 4 – внутренний вакуумный экран; 5 – сверхпроводящий магнит; 6 – вставка с исследуемыми образцами; 7 – наруж- ный вакуумный экран; 8 – трубка откачки на ва- куум; 9 – откачка гелия или подсоединение газ- гольдера; 10 – разъем с выводами нагревателей и датчиков температуры. Б. Э. Бекиров и др. / ЭПР спектрометр миллиметрового... _________________________________________________________________________________________________________________ 87 Рис. 1. Схема вставки в криостат для получения и стабилиза- ции температуры в диапазоне 1,7…300 К Принцип работы основного криостата с новой температурной вставкой состоит в сле- дующем. После охлаждения основного криостата и заливки в него жидкого гелия 4He внутри темпе- ратурной вставки 4 устанавливается температура 4,2 К при открытом дросселе 2 и подсоединении откачной полости вставки к газгольдеру 9. Для выхода системы на заданную температуру в ин- тервале 4,2…300 К необходимо подавать соответ- ствующие мощности в предварительный нагрева- тель 1 и основной 3. При этом особое внимание следует уделять регулировке дросселем 2 потока поступающего гелия. «Грубо» устанавливать задан- ную температуру можно путем регулировки мощ- ности в предварительном нагревателе 1. Для ста- билизации заданной заранее температуры в облас- ти расположения образца используется основной нагреватель 3, мощность которого регулируется программно с пульта персонального компьютера. В результате регистрируются значения температур в области нагревателей и в приборной вставке 6 с образцом, расположенным в резонансной ячейке электродинамического СВЧ-модуля спектрометра. В качестве температурных датчиков используются платиновые 100 Ω резисторы при работе в интер- вале температур от комнатных вплоть до Т = 40 К. При температурах ниже 40 К используются 100 Ω резисторы из аморфного углерода. В случае необходимости работы спектро- метра ЭПР при температурах ниже 4,2 К приме- няется откачка паров гелия 4He из полости объема с исследуемым образцом. При этом дросселем 2 устанавливается необходимый поток гелия, а мощности в нагревателях 1 и 3 подбираются ана- логично описанной выше методике. Температур- ная вставка позволяет устанавливать и поддержи- вать температуру в области исследуемого образца с точностью T = ±0,05 К в интервале температур 1,7 ≤ T ≤ 300 К. Использование дополнительной темпера- турной вставки в криостате спектрометра повлек- ло за собой необходимость в новом СВЧ-модуле, который был разработан, изготовлен и протести- рован. При этом диаметр внешнего экрана модуля был уменьшен до 25 мм по сравнению с 39 мм старого модуля в составе спектрометра, рабо- тающего в интервале температур 1,7 ≤ T ≤ 4,2 К. 2. Описание модифицированного резо- нансного контура. При измерении спектров ЭПР в коротковолновой части миллиметрового диапа- зона длин волн в качестве резонансного контура спектрометра широко применяется квазиоптичес- кий полусимметричный открытый резонатор (ОР), работающий на основном типе колебаний ТЕМ00q с добротностью Q = (2–5)⋅103 [6, 7]. При этом с целью увеличения коэффициента заполнения и уменьшения связи резонатора с окружающим пространством используется малоапертурное ко- роткофокусное сферическое зеркало [8]. Обсуж- дая возможные пути модификации исходного ре- зонансного контура спектрометра ЭПР, мы исхо- дили из следующих требований, которым должна удовлетворять новая резонансная ячейка: • сохранение высоких значений коэффи-циента передачи резонатора при исследовании образ- цов с высокой проводимостью; • возможность выбора оптимального положения образца как в поле стоячей волны рабочего типа колебания, так и относительно катушки модуляции, необходимой для записи первой производной линий поглощения; • удобство и оперативность смены исследуемых образцов. Предложенная резонансная ячейка состо- ит из ОР, образованного верхним зеркалом 1 и нижним 2. Схематическое изображение ОР при- ведено на рис. 2. Характерной особенностью зеркала 1 является наличие в его центральной части плос- кого участка поверхности с двумя элементами связи 8 и 9 в виде щелей размером 0,1×1,6 мм2, ориентированных параллельно относительно друг друга и равноудаленных от центра зеркала на рас- стоянии 1,5 мм. Сложный профиль зеркала обес- печивает коррекцию фазового фронта волны, необходимую для формирования однородного 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Б. Э. Бекиров и др. / ЭПР спектрометр миллиметрового... _________________________________________________________________________________________________________________ 88 амплитудно-фазового распределения поля на об- разце. Нижнее плоское зеркало 2 является состав- ным. Его цилиндрическая центральная часть (далее фазовый корректор 3) является съемной и имеет возможность прецизионного перемещения отно- сительно поверхности зеркала, тем самым обес- печивая возможность дополнительной коррекции фазового фронта резонансного волнового пучка в области расположения образца. Рис. 2. Схематическое изображение резонансной ячейки спектро- метра Выбор данной конфигурации зеркала по- зволяет решать две важные задачи: обеспечивать удобство и оперативность смены образцов в ходе эксперимента; оптимизировать их положение в объеме резонатора с точки зрения минимизации вносимого ими возмущения в пространственное распределение поля рабочего типа колебания. На периферийной части зеркала располагается ка- тушка модуляции магнитного поля 4. Исследуе- мые образцы 5 в виде тонких дисков помещаются в составную диэлектрическую кювету 6 из кварце- вых и пенопластовых элементов, используемых для центровки и крепления образца. Кювета ус- танавливается непосредственно на фазовом кор- ректоре 3. Перечисленные выше элементы резо- нансной ячейки показаны на фотографии (рис. 3). Общий вид нижней части электродинамического модуля спектрометра ЭПР с резонансной ячейкой внутри приведен на рис. 4. Рис. 3. Элементы резонансной ячейки Рис. 4. Электродинамический модуль спектрометра 3. Электродинамические характерис- тики резонансного контура. Эксперименталь- ные исследования электродинамических характе- ристик резонансного контура спектрометра про- водились на одном из измерительных стендов лаборатории. На рис. 5 и 6 приведены спектры пустого ОР и ОР с катушкой модуляции и диэлект- рической кюветой с образцом внутри, располо- женные на плоском зеркале резонатора. 8 9 10 11 12 13 14 15 16 5 4 3 2 1 0 И нт ен си вн ос ть , д Б D, мм 00q 00q 00q 00q Рис. 5. Спектр «пустого» ОР (f = 129 ГГц) 10 11 12 13 14 15 14 12 10 8 6 4 2 0 И нт ен си вн ос ть , д Б D, мм 00q 00q 00q 00q Рис. 6. Спектр ОР с образцом, кюветой и катушкой модуляции (f = 129 ГГц) 8,5 < D < 18,5 ∅ ∅ ∅ – – – – – – – – – – – – Б. Э. Бекиров и др. / ЭПР спектрометр миллиметрового... _________________________________________________________________________________________________________________ 89 Как следует из рис. 5, в случае пустого резонатора в интервале рабочих расстояний между его зеркалами возбуждается основной ТЕМ00q-тип колебаний, а также три высших низкодобротных колебания со сложной пространственной струк- турой электромагнитного поля, обусловленной ощутимым влиянием металлического корпуса электродинамического модуля 7 из тонкостенной нержавеющей стали (толщина стенки 0,5 мм). Размещение на плоском зеркале ОР мо- дуляционной катушки с кюветой приводит к ощутимой трансформации как спектра резона- тора, так и пространственных распределений полей (рис. 6), поскольку она представляет собой сильную неоднородность, которая диафрагмирует резонансный волновой пучок. Амплитудные распределения полей изме- рялись известным методом пробного тела. Ввиду того что плоскость регистрации пространствен- ных распределений полей в ОР ограничена разме- рами технологических «окон» в корпусе электро- динамического модуля спектрометра, максималь- но возможный растр плоскости сканирования пробным телом был ограничен по оси OХ вели- чиной 10 мм (рис. 2). На рис. 7, а приведено рас- пределение поля основного типа колебания в плоскости XOY при расстоянии между зеркалами резонатора D = 12,05 мм. На рис. 7, б, в приведе- ны распределения полей высших типов колеба- ний, возбуждаемых в данном ОР при расстоянии между зеркалами D = 11,48 мм и D = 12,65 мм соответственно. Полученные в результате проведенного цикла исследований данные являются необходи- мыми в качестве реперных при выборе опти- мальных параметров электродинамической систе- мы спектрометра и рабочего типа колебаний для измерения спектров поглощения данного класса объектов методом ЭПР. 4. Спектры ЭПР. Новая резонансная ячейка в составе ЭПР спектрометра, работающего в диапазоне частот 123…126 ГГц, была использо- вана для регистрации спектров поглощения селе- нидов ртути, легированных железом (HgSe:Fe) в интервале температур 4,2 < T < 20 К. Исследуе- мые образцы с различной концентрацией примеси железа (NFe = 2⋅1018 см–3 – 3⋅1019 см–3) были выре- заны в виде шайб диаметром 7 мм и толщи- ной 0,8 мм. Параметры резонатора выбирались таким образом, чтобы в нем возбуждался основ- ной тип колебаний (рис. 7, а). Выполнение этих условий позволяет размещать модуляционную катушку (частота модуляции f = 66 кГц) с кюве- той и образцом внутри непосредственно на плоском зеркале. В экспериментах использовался высокостабильный СВЧ-генератор дифракцион- ного излучения, обеспечивающий высокую чувст- вительность спектрометра. Внешнее магнитное поле создавалось сверхпроводящим соленоидом с неоднородностью 5⋅10–4 отн. ед. в месте располо- жения образца. а) б) в) Рис. 7. Распределения полей в ОР: а) – основной тип колеба- ний; б) и в) – высшие типы колебаний Для примера на рис. 8 представлены спектры ЭПР бесщелевого полумагнитного полу- проводника HgSe:Fe с концентрацией примеси железа NFe = 2·1019см–3 при использовании обыч- ного ОР проходного типа с элементами связи в обоих зеркалах (рис. 8, а) и модифицирован- ного ОР (рис. 8, б). Узкая спектральная линия со- ответствует сигналу ЭПР от дифенил-2-пикрил- гидрозила (ДФПГ), используемого в качестве эта- лонной метки. В обоих случаях образец помещал- ся в одну и ту же диэлектрическую кювету, уста- новленную на плоском зеркале ОР и находящую- ся в полости модуляционной катушки. Как видно из приведенных записей спектров, линия ЭПР при использовании обычного ОР не прорабаты- вается, теряясь в шумах (рис. 8, а) из-за низкой чувствительности спектрометра вследствие силь- ного возмущения ОР исследуемым образцом и, как следствие, низкой добротности резонатора (Q ≈ 1,3⋅103). Использование же модифициро- ванного ОР с двумя элементами связи на одном зеркале, а также возможность коррекции фазового фронта в области расположения образца позволи- ло увеличить коэффициент передачи и доброт- ность резонатора до значения Q ≈ 2,5⋅103 на ос- новном типе колебания. В результате линия ЭПР образца хорошо видна при записи спектра (рис. 8, б). –15 –10 –5 0 5 10 15 X, мм 0 –3,0 –6,0 –9,0 –12 5,0 2,5 0,0 –2,5 –5,0 Y, м м дБ дБ –15 –10 –5 0 5 10 15 X, мм 0 –3,0 –6,0 –9,0 –12 5,0 2,5 0,0 –2,5 –5,0 Y, м м дБ –15 –10 –5 0 5 10 15 X, мм 0 –3,0 –6,0 –9,0 –12 5,0 2,5 0,0 –2,5 –5,0 Y, м м Б. Э. Бекиров и др. / ЭПР спектрометр миллиметрового... _________________________________________________________________________________________________________________ 90 40 41 42 43 44 45 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 I, от н. ед . H, кЭ а) 40 41 42 43 44 45 46 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 I, от н. ед . H, кЭ б) Рис. 8. Спектры ЭПР кристалла HgSe:Fe на частоте f = 123 ГГц при Т = 10 К: а) – с использованием ОР проходного типа; б) – с использованием модифицированного ОР Выводы. Проведена модернизация функ- циональных узлов радиоспектрометра ЭПР для возможности проведения исследований в широ- ком интервале температур 1,7 ≤ T ≤ 300 К. Использование в составе спектрометра новой ре- зонансной ячейки позволяет оптимизировать по- ложение образца в поле стоячей волны рабочего типа колебания, сохраняя высокие значения ко- эффициента передачи и добротности резонатора при исследовании образцов с большими вноси- мыми потерями. Приведенные спектры поглоще- ния полумагнитного полупроводника HgSe:Fe указывают на очевидные преимущества использо- вания предложенного ОР для регистрации спект- ров ЭПР веществ с высокой проводимостью. Библиографический список 1. Цидильковский И. М. Бесщелевые полупровод-ники с магнитным примесями / И. М. Цидильковский // Успехи физ. наук. – 1992. – 162, № 2. – C. 63–105. 2. Погорілий А. М. Спінтроніка. Основні явища. Тенденції розвитку / А. М. Погорілий, С. М. Рябченко, О. І. Товсто- литкін // Укр. фіз. журн. – 2010. – 6, № 1. – C. 37–97. 3. Окулов В. И. К теоретическому описанию низкотемпе- ратурных эффектов в металлах и легированных полу- проводниках на основе квантовой теории электронной жидкости / В. И. Окулов, Е. А. Памятных, В. П. Силин // Физика низких температур. – 2009. – 35, № 8/9. – С. 891–903. 4. Spin dynamics in the mixed-valence compound HgSe:Fe / Z. Wilamovski, A. Mycielski, W. Jantsch, G. Hendorfer // Phys. Rev. B. – 1988. – 38, N 5. – P. 3621–3624. 5. Wilamowski Z. Electron paramagnetic resonance Coulomb gap in HgSe:Fe / Z. Wilamovski, W. Jantsch, G. Hendorfer // Semicond. Sci. Technol. – 1990. – 5. – P. S266–S269. 6. Резонансные ячейки радиоспектрометра миллиметрового диапазона, работающего при T > 4 К / А. А. Вертий, Г. А. Звягина, И. В. Иванченко и др. // Приборы и техн. эксперимента. – 1988. – № 2. – C. 107–110. 7. High-Frequency Module and Semiconductor Research at Low Temperature / A. A. Vertiy, I. V. Ivanchenko, N. A. Popenko et al. // Intern. J. of Infrared and Millimeter Waves. – 1991. – 12, N 10. – P. 1229–1238. 8. Ivanchenko I. V. EPR-spectra analysis of irradiated ammonia under hω/kT > 1 conditions / I. V. Ivanchenko // Intern. J. of Infrared and Millimeter Waves. – 1996. – 17, N 11. – P. 1907–1916. Рукопись поступила 11.07.2013 г. B. E. Bekirov, I. V. Ivanchenko, A. A. Lukhanin, N. A. Popenko MILLIMETER EPR SPECTROMETER FOR STUDYING THE SAMPLES WITH HIGH CONDUCTIVITY The gapless semimagnetic semiconductors with the resonant donor level and mixed-valence are of fundamental and applied interest. The high mobility of the band electrons in them allows one to use almost the entire arsenal of modern methods and means of studying the physical properties of solids. One of the effective methods of studying the magnetoresonance properties of this class of semiconductors is the method of electron paramagnetic resonance. However, due to the high conductivity of semiconductors like those, the requirements applied to the sensitivity of suitable spectrometers are increased. This is largely determined by the electromagnetic properties of the resonance cell that is used there. The problem is exacerbated when carrying out the investigations in the short-wave part of the millimeter range, where the skin depth is a few microns only. The modification of the functional units of the electron paramagnetic resonance spectrometer with the aim to enlarge the operating temperature range has been realized. Furthermore, the original resonant cell as a two-mirror open resonator for the registration of absorption spectra of various substances in the short-wave part of the millimeter range within the temperature limits Т = 1.7…300 K is proposed. The electron paramagnetic resonance spectra for the gapless semimagnetic semiconductor HgSe:Fe measured at a frequency of 123 GHz are shown. These spectra illustrate the benefits of the proposed resonant cell used in the spectrometer while studying high-frequency magnetoresonance properties of substances with high conductivity. Key words: spectrometer, resonant cell, electromagnetic field distribution, semiconductor, absorption spectrum. Б. Е. Бекіров, І. В. Іванченко, О. О. Луханін, Н. О. Попенко ЕПР-СПЕКРОМЕТР МІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗРАЗКІВ З ВИСОКОЮ ПРОВІДНІСТЮ Безщілинні напівмагнітні напівпровідники з резо- нансним донорним рівнем та змішанною валентністю явля- Б. Э. Бекиров и др. / ЭПР спектрометр миллиметрового... _________________________________________________________________________________________________________________ 91 ються цікавими як з фундаментальної, так і прикладної точки зору. Висока рухливість в них зонних електронів дозволяє використовувати майже увесь арсенал сучасних методів і засобів вивчення фізичних властивостей твердих тіл. Ефектив- ним методом дослідження магніторезонансних властивостей даного класу напівпровідників є метод електронного парамаг- нітного резонансу. Однак внаслідок високої провідності цих напівпровідників зростають потреби щодо чутливості відповід- них спектрометрів, яка значною мірою визначається електро- динамічними властивостями резонансної комірки, що в них використовується. Проблема ще більш зростає при проведенні досліджень у короткохвильовій частині міліметрового діапа- зону довжин хвиль, де глибина скін-шару дорівнює одини- цям мікрон. Проведено модифікацію функціональних вузлів спектрометра електронного парамагнітного резонансу з метою розширення робочого інтервалу температур та запропоновано оригінальну резонансу комірку у вигляді дводзеркального відкритого резонатора для реєстрації спектрів поглинання різних сполук у короткохвильовій частині міліметрового діа- пазону довжин хвиль в інтервалі Т = 1,7…300 К. Наведено спектри ЕПР безщілинного напівмагнітного напівпровід- ника HgSe:Fe на частоті 123 ГГц, що ілюструють переваги використання запропонованого резонатора у складі спектро- метра при вивченні високочастотних магніторезонансних властивостей сполук з високою провідністю. Ключові слова: спектрометр, резонансна комірка, розподіл електромагнітного поля, напівпровідник, спектр поглинання.

Ähnliche Einträge