Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах

Методом электронного парамагнитного резонанса обнаружены и изучены спектры поглощения алмаза и наноалмаза типа Ib на парамагнитных центрах до и после облучения высокоэнергетическими электронами с энергией 2 МэВ в широком диапазоне частот (70–120 ГГц) и температур (4,2–90 К). Показано, что в алмазе...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автори:	Хацько, Е., Кобец, М., Дергачев, К., Кулбицкас, А., Растениене, Л., Вайшнорас, Р.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2013
Назва видання:	Физика низких температур
Теми:	Низкотемпературный магнетизм
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/118923
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах / Е. Хацько, М. Кобец, К. Дергачев, А. Кулбицкас, Л. Растениене, Р. Вайшнорас // Физика низких температур. — 2013. — Т. 39, № 12. — С. 1355–1360. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-118923
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1189232025-02-09T16:04:44Z Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах The high-frequency ESR spectra of the syntetic diamond and nanodiamonds type Ib at low temperature Хацько, Е. Кобец, М. Дергачев, К. Кулбицкас, А. Растениене, Л. Вайшнорас, Р. Низкотемпературный магнетизм Методом электронного парамагнитного резонанса обнаружены и изучены спектры поглощения алмаза и наноалмаза типа Ib на парамагнитных центрах до и после облучения высокоэнергетическими электронами с энергией 2 МэВ в широком диапазоне частот (70–120 ГГц) и температур (4,2–90 К). Показано, что в алмазе наблюдаются линии поглощения спектра ЭПР, обусловленные наличием ростового ионакатализатора Ni¹⁺ и парамагнитным одиночным центром азота N⁰ . В наноалмазе наблюдаются линии поглощения спектра ЭПР центров с оборванными связями на поверхности монокристаллитов (поверхностные дефекты) и боковые линии, которые связаны с проявлением сверхтонкого взаимодействия в спектре. Методом електронного парамагнітного резонансу виявлено і вивчено спектри поглинання алмазу і наноалмазу типу Ib на парамагнітних центрах до і після опромінення високоенергетичними електронами з енергією 2 МеВ в широкому діапазоні частот (70–120 ГГц) та температур (4,2–90 К). Показано, що в алмазі спостерігаються лінії поглинання спектра ЕПР, які обумовлені наявністю ростового іонакаталізатора Ni¹⁺ і парамагнітного одиночного центра азоту N⁰ . В наноалмазі спостерігаються лінії поглинання спектра ЕПР центрів з обірваними зв’язками на поверхні монокристалітів (поверхневі дефекти) та бокові лінії, які пов’язані із збудженням ліній надтонкої взаємодії в спектрі. The ESR absorption spectra of nonirradiated and irradiated (by electrons with an energy of 2 MeV) bulk diamond and nanodiamond powder of type Ib have been studied at a wide range of frequencies (70– 120 GHz) and temperature (4.2–90 K) by ESR method. It is shown, that in the ESR spectrum of bulk diamond absorption lines of ion nickel catalyst Ni¹⁺ and a paramagnetic single center of the nitrogen N⁰ is observed. Absorption lines of the paramagnetic centers with dangling bonds on the nanodiamond surface (surface defects) in the ESR spectra are obtained. Работа частично поддержана украинско-литовскими проектами №№ М/344-2012 и М/245-2013 и ТАП ЛУ 03/2012. 2013 Article Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах / Е. Хацько, М. Кобец, К. Дергачев, А. Кулбицкас, Л. Растениене, Р. Вайшнорас // Физика низких температур. — 2013. — Т. 39, № 12. — С. 1355–1360. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 76.30.–v, 33.35.+r, 78.67.Bf https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/118923 ru Физика низких температур application/pdf Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Низкотемпературный магнетизм Низкотемпературный магнетизм
spellingShingle	Низкотемпературный магнетизм Низкотемпературный магнетизм Хацько, Е. Кобец, М. Дергачев, К. Кулбицкас, А. Растениене, Л. Вайшнорас, Р. Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах Физика низких температур
description	Методом электронного парамагнитного резонанса обнаружены и изучены спектры поглощения алмаза и наноалмаза типа Ib на парамагнитных центрах до и после облучения высокоэнергетическими электронами с энергией 2 МэВ в широком диапазоне частот (70–120 ГГц) и температур (4,2–90 К). Показано, что в алмазе наблюдаются линии поглощения спектра ЭПР, обусловленные наличием ростового ионакатализатора Ni¹⁺ и парамагнитным одиночным центром азота N⁰ . В наноалмазе наблюдаются линии поглощения спектра ЭПР центров с оборванными связями на поверхности монокристаллитов (поверхностные дефекты) и боковые линии, которые связаны с проявлением сверхтонкого взаимодействия в спектре.
format	Article
author	Хацько, Е. Кобец, М. Дергачев, К. Кулбицкас, А. Растениене, Л. Вайшнорас, Р.
author_facet	Хацько, Е. Кобец, М. Дергачев, К. Кулбицкас, А. Растениене, Л. Вайшнорас, Р.
author_sort	Хацько, Е.
title	Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах
title_short	Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах
title_full	Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах
title_fullStr	Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах
title_full_unstemmed	Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах
title_sort	высокочастотные спектры эпр синтетического алмаза и наноалмаза типа ib при низких температурах
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Низкотемпературный магнетизм
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/118923
citation_txt	Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах / Е. Хацько, М. Кобец, К. Дергачев, А. Кулбицкас, Л. Растениене, Р. Вайшнорас // Физика низких температур. — 2013. — Т. 39, № 12. — С. 1355–1360. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT hacʹkoe vysokočastotnyespektryéprsintetičeskogoalmazainanoalmazatipaibprinizkihtemperaturah AT kobecm vysokočastotnyespektryéprsintetičeskogoalmazainanoalmazatipaibprinizkihtemperaturah AT dergačevk vysokočastotnyespektryéprsintetičeskogoalmazainanoalmazatipaibprinizkihtemperaturah AT kulbickasa vysokočastotnyespektryéprsintetičeskogoalmazainanoalmazatipaibprinizkihtemperaturah AT rastenienel vysokočastotnyespektryéprsintetičeskogoalmazainanoalmazatipaibprinizkihtemperaturah AT vajšnorasr vysokočastotnyespektryéprsintetičeskogoalmazainanoalmazatipaibprinizkihtemperaturah AT hacʹkoe thehighfrequencyesrspectraofthesynteticdiamondandnanodiamondstypeibatlowtemperature AT kobecm thehighfrequencyesrspectraofthesynteticdiamondandnanodiamondstypeibatlowtemperature AT dergačevk thehighfrequencyesrspectraofthesynteticdiamondandnanodiamondstypeibatlowtemperature AT kulbickasa thehighfrequencyesrspectraofthesynteticdiamondandnanodiamondstypeibatlowtemperature AT rastenienel thehighfrequencyesrspectraofthesynteticdiamondandnanodiamondstypeibatlowtemperature AT vajšnorasr thehighfrequencyesrspectraofthesynteticdiamondandnanodiamondstypeibatlowtemperature
first_indexed	2025-11-27T18:35:50Z
last_indexed	2025-11-27T18:35:50Z
_version_	1849969668513595392
fulltext	© Е. Хацько, М. Кобец, К. Дергачев, А. Кулбицкас, Л. Растениене, Р. Вайшнорас, 2013 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2013, т. 39, № 12, c. 1355–1360 Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах Е. Хацько, М. Кобец, К. Дергачев Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины пр. Ленина, 47, г. Харьков, 61103, Украина E-mail: khatsko@ilt.kharkov.ua А. Кулбицкас, Л. Растениене, Р. Вайшнорас Литовский эдукологический университет, факультет физики и химии, ул. Студентов, 39, г. Вильнюс, ЛТ-08106, Литва Статья поступила в редакцию 19 августа 2013 г. Методом электронного парамагнитного резонанса обнаружены и изучены спектры поглощения алмаза и наноалмаза типа Ib на парамагнитных центрах до и после облучения высокоэнергетическими электрона- ми с энергией 2 МэВ в широком диапазоне частот (70–120 ГГц) и температур (4,2–90 К). Показано, что в алмазе наблюдаются линии поглощения спектра ЭПР, обусловленные наличием ростового иона- катализатора 1Ni и парамагнитным одиночным центром азота N 0 . В наноалмазе наблюдаются линии по- глощения спектра ЭПР центров с оборванными связями на поверхности монокристаллитов (поверхностные дефекты) и боковые линии, которые связаны с проявлением сверхтонкого взаимодействия в спектре. Методом електронного парамагнітного резонансу виявлено і вивчено спектри поглинання алмазу і на- ноалмазу типу Ib на парамагнітних центрах до і після опромінення високоенергетичними електронами з енергією 2 МеВ в широкому діапазоні частот (70–120 ГГц) та температур (4,2–90 К). Показано, що в алмазі спостерігаються лінії поглинання спектра ЕПР, які обумовлені наявністю ростового іона-ката- лізатора 1Ni і парамагнітного одиночного центра азоту N 0 . В наноалмазі спостерігаються лінії погли- нання спектра ЕПР центрів з обірваними зв’язками на поверхні монокристалітів (поверхневі дефекти) та бокові лінії, які пов’язані із збудженням ліній надтонкої взаємодії в спектрі. PACS: 76.30.–v Электронный парамагнитный резонанс и релаксация; 33.35.+r Электронный резонанс и релаксация; 78.67.Bf Нанокристаллы и наночастицы. Ключевые слова: ЭПР спектры, алмаз, примеси, нанокристаллы и наночастицы. Современная электроника требует развития техноло- гий получения новейших материалов, способных сохра- нять физические свойства в экстремальных условиях: работа при высоких температурах, в космосе, ядерных реакторах и биомедицине. К таким уникальным мате- риалам, в первую очередь, относится алмаз с его высо- кой теплопроводностью и полупроводниковыми свойст- вами [1], устойчивость к радиации которого превосходит традиционные полупроводники на один–два порядка. Новейшие технологии позволяют выращивать при высоких температурах и давлениях синтетические ал- мазы, которые заменяют природные в микроэлектро- нике, квантовой оптике, спинтронике. Например, алма- зы различного структурного качества применяются для изготовления детекторов ионизирующих излучений, алмазных наковален, выходных окон для мощных ла- зеров и др. Успешное развитие электронного приборострое- ния на алмазе [2,3] сдерживается недостатком знаний о собственных и примесных дефектах в алмазе. Ос- новной примесью является азот, который занимает определенное положение в решетке кристалла и слу- mailto:khatsko@ilt.kharkov.ua Е. Хацько, М. Кобец, К. Дергачев, А. Кулбицкас, Л. Растениене, Р. Вайшнорас 1356 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2013, т. 39, № 12 жит основным фактором для класcификации типов алмазов. Он создает различные парамагнитные центры в ал- мазе и существует в форме одиночных атомов азота, замещающих углерод, и находится в нейтральном заря- довом состоянии N 0 (Р1-центр или С-дефект), а также в виде кластеров [4,5]. Простейший кластер состоит из двух эквивалентных атомов азота, занимающих сосед- ние углеродные позиции и имеющих один общий не- спаренный электрон 2N . В соответствии с собствен- ными и примесными дефектами природные и синте- тические алмазы разделяются на несколько типов: Ia, IIa, Ib, IIb, IaA, IaB и др. Число I свидетельствует о кон- центрации одиночных атомов азота в кристаллах алмаза более 2∙10 17 см –3 , число II — о минимальном количест- ве атомов азота. Буква «a» обозначает окраску алмаза в зелено-желтый цвет, буква «b» — в темно-коричневый. Особое место в исследовании алмаза и наноалмаза занимают азотно-вакансионные дефекты, представляю- щие собой атом азота и вакансию в соседних узлах кри- сталлической решетки, так называемые (N 0 –V – )-центры (NV-центры) [6]. Отрицательно заряженный (N 0 –V – )- центр образует спиновую пару S = 1. NV-центры соз- даются в основном при помощи облучения высокоэнер- гетическими электронами, протонами и нейтронами. Для успешного практического применения алмаза необходи- мы формирование регулярных и стабильных дефектов и возможность управления их свойствами. Стабильный NV-центр в алмазе является перспективным для соз- дания приборов атомных размеров, которые могут работать при комнатных температурах. Дефектно-примесная структура алмаза сильно зави- сит от условий выращивания и внешних воздействий. При минимальных скоростях выращивания достигает- ся равномерное распределение Р1-центров в структуре алмаза, которая соответствует кубической симметрии. Радиационно-термические технологии позволяют, со- храняя химический состав алмаза, изменять структуру и магнитные свойства его дефектов [7]. Стабильные NV-центры формируются облучением протонами, электронами и нейтронами. В данное время идет поиск оптимальных энергий облучения и количество NV-центров, которые созда- ли бы условия для широкого применения синтетиче- ских наноалмазов и алмазов в микроэлектронике и медицине. Ранее мы провели экспериментальные исследования спектров ЭПР монокристаллов алмаза и наноалмаза типа Ib, облученных протонами с энергией 9 МэВ в течение 15 мин в 3-сантиметровом диапазоне длин волн [8]. Внешнее магнитное поле для монокристалла ориентировалось вдоль направления [111]. Температу- ры измерения 300 и 150 К. Кроме парамагнитных цен- тров азота, обнаружены линии поглощения в спектре ЭПР, обусловленные NV-центрами. В настоящей работе исследуется алмаз и наноалмаз типа Ib, облученный электронами с энергией 2 МэВ в течение одного месяца. Облучение высокоэнергетиче- скими электронами не создает очагов аморфной фазы, а приводит к образованию только точечных дефектов, формируются стабильные NV-центры. Фотография ис- следуемого кристалла алмаза приведена на рис. 1. Цель данной работы — обнаружение и сравнитель- ное исследование спектров ЭПР облученных и необлу- ченных кристаллов синтетического алмаза и наноалма- за (тип Ib) методом высокочастотной ЭПР спектро- скопии при низких температурах 4,2–90 К. Сведения о спектрах ЭПР алмаза и наноалмаза данного типа при низких температурах в литературе отсутствуют. Резонансные измерения выполнены в диапазоне час- тот 70–120 ГГц при помощи спектрометра прямого уси- ления со сверхпроводящим соленоидом в широком ин- тервале температур (4,2–100 К). Максимальное маг- нитное поле 75 кЭ (7,5 Тл). Образец помещался в круглый резонатор на специальное устройство в виде грибка, с помощью которого можно проводить исследо- вание угловых зависимостей. Снаружи резонатора на- мотана печка для температурных измерений. Резонанс- ное поглощение возбуждалось перпендикулярно поля- ризованным СВЧ полем. Внешнее магнитное поле Н для монокристалла алмаза ориентировалось параллель- но грани куба [100]. Все спектры ЭПР, которые показа- ны на рисунках, записаны без накопления сигнала. Синтез и рост монокристаллов синтетического алмаза типа Ib проводились методом «разрезная сфера» при высоком давлении и градиенте температур с применени- ем различных металлов-катализаторов. В нашем случае использовалась никельсодержащая ростовая система. Заметим, что влияние ферромагнитной остаточной при- меси, как в качественном, так и количественном аспек- тах, на электронную подсистему дефектов не изучено, что сдерживает применение синтетических алмазов в электронике. Рис. 1. Внешний вид облученного электронами монокри- сталла алмаза, использованного для исследования. Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2013, т. 39, № 12 1357 Алмазы выращивались без принудительного вне- дрения азота, и парамагнитные центры существуют в виде одиночных атомов азота (Р1-центры), замещаю- щих углерод. Самый распространенный в природе изо- топ азота 14 N. Поэтому все образовавшиеся при росте кристаллов Р1-центры азота в основном относятся к этому изотопу. На рис. 2 показаны обнаруженные линии поглоще- ния спектра ЭПР на парамагнитных центрах (Р1-цент- ры) в необлученном (а) и облученном электронами (б) синтетических алмазах типа Ib на частотах 104,8 и 72,2 ГГц при температуре 4,2 К. Как видно на рисун- ке, в исследуемых кристаллах наблюдаются по две линии поглощения в спектре ЭПР: интенсивные и слабоинтенсивные (масштаб развертки по магнитно- му полю М = 168 Э/мм). Величина поглощения в обо- их образцах практически одинакова. На рис. 3 показан вид спектра ЭПР облученного ал- маза для нескольких частот при температуре 4,2 К. В этом диапазоне частот (70–120 ГГц) наблюдаются две резонансные линии поглощения: слабоинтенсивная и интенсивная. Запись спектра соответствует масштабу М = 40 Э/мм по оси x. Слабоинтенсивная изотропная линия ЭПР наблюда- ется во всем частотном интервале для обоих исходных Рис. 2. Спектры ЭПР необлученного (а) и облученного (б) электронами монокристалла алмаза на частотах 104,8 и 72,2 ГГц соответственно. Н\|\|[100], Т = 4,2 К. 6,4 12,8 19,2 25,6 32,0 38,4 44,8 0,1 H, кЭ T = 4,2 К (a) П о гл о щ ен и е, о тн . ед . 6,4 12,8 19,2 25,6 32,0 38,4 0,1 H, кЭ T = 4,2 К (б) П о гл о щ ен и е, о тн . ед . Рис. 3. Спектры ЭПР облученного высокоэнергетическими электронами алмаза на нескольких частотах. Н\|\|[100], Т = 4,2 К. (a) H, кЭ 25,0 26,626,225,825,4 П о гл о щ ен и е, о тн . ед . H1 H2 39,238,838,436,8 37,2 37,6 38,0 П о гл о щ ен и е, о тн . ед . H, кЭ H1 H2 (в) 40,6 41,0 41,4 42,241,8 П о гл о щ ен и е, о тн . ед . H, кЭ H1 H2 Е. Хацько, М. Кобец, К. Дергачев, А. Кулбицкас, Л. Растениене, Р. Вайшнорас 1358 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2013, т. 39, № 12 кристаллов. Мы предполагаем, что природа этих линий обусловлена присутствием ростовой примеси металла- катализатора иона никеля. Анализ полученных экспе- риментальных данных по частотной зависимости резо- нансного поглощения показывает, что средняя величина g-фактора спектроскопического расщепления g1 = 2,023, а ширина этой линии по магнитному полю 30 Э. На- личие изотропного спектра ЭПР из одной линии и малая величина g1 = 2,023 дает основание предположить, что наблюдаемый спектр характерен для чисто спинового состояния иона никеля 1Ni с конфигурацией 3d 9 и эф- фективным спином S = 1/2 [9], который находится в вы- сокосимметричном тетраэдрическом положении, заме- щая углерод в решетке алмаза. После облучения кристалла высокоэнергетическими электронами спектр примеси никеля не претерпел заметных изменений. От- метим, что в работе [10] авторы сообщают о наблюде- нии в спектрах ЭПР алмаза типа Iab линии поглощения иона 2Ni с шириной 30 млТл и g = 6. Интенсивный сигнал, который наблюдается во всем экспериментальном диапазоне частот при температуре 4,2 К, мы связываем с возбуждением парамагнитного Р1-центра, состоящего из одной компоненты, обуслов- ленной зеемановским расщеплением с g2 = 2,0027. Следует отметить, что вид спектра на рис. 3 отли- чается от спектра, представленного в работе [8]. Мы связываем это отличие с ориентацией внешнего маг- нитного поля Н\|\|[100] и температурой эксперимента (4,2 К), т.к. анизотропия спектров одиночных центров отсутствует, константы же сверхтонкого взаимодейст- вия имеют сильную анизотропию. Нами также исследованы температурные зависи- мости спектра ЭПР облученного алмаза типа Ib на частоте 72,2 ГГц в диапазоне температур 4,2–100 К. Для иллюстрации результатов на рис. 4 приведены наиболее характерные записи спектров поглощения для температур 4,2; 25; 90 К. Видно, что слабоинтен- сивная изотропная линия ЭПР наблюдается в поле H1 = 25,55 кЭ во всем температурном интервале для исходного кристалла и, как мы уже говорили, связана с примесью металла-катализатора иона никеля. При Т = 4,2 К наблюдается одиночная интенсивная линия поглощения в спектре ЭПР, связанная с пара- магнитным центром азота. Повышение температуры до 25 К способствует образованию триплетной структу- ры. Центральная линия в спектре с резонансным полем Н2 = 25,790 кЭ и g2 = 2,0027 соответствует Р1-центрам азота. Боковые линии Н3 = 25,765 кЭ и Н4 = 25,815 кЭ, по нашему мнению, обусловлены сверхтонким взаи- модействием. Р1-центры азота соответствуют изотопу азота 14 N, ядерный спин которого равен 1, поэтому в спектре всегда возбуждаются три линии поглощения. Константа сверхтонкого взаимодействия A ~ 25 Э. За- метим, что триплетная структура проявляется в облас- ти температур 15–40 К. При возрастании температуры от 50 до 100 К резонансные пики уширяются, и три- плетная структура не наблюдается. Видны только две линии поглощения, как и при Т = 4,2 К. Уширение ре- зонансных линий и, как следствие, наблюдение в спек- тре ЭПР одиночной линии при температурах 4,2 и 90 К мы пока объяснить не можем. Однако можно предположить следующее. 1. В облу- ченном алмазе существует много других центров азота, отличных от Р1-центров. При изменении температуры они могут проявляться в резонансе с другими констан- тами сверхтонкого взаимодействия — наблюдается уширение резонансной линии. 2. Константы сверхтон- кого взаимодействия в алмазе зависят от температуры, интервалы полей компонент изменяются, и нарушается эквидистантность сверхтонкой структуры. В спектрах будет наблюдаться одна резонансная линия. Темпера- турная зависимость констант сверхтонкого взаимодей- ствия исследована, например, в работе [11]. Следующие измерения были проведены на порош- ках алмаза типа Ib (наноалмаз с размером кристалли- тов от нанометров до 150 мкм). В эксперименте ис- пользовались две полиэтиленовые ампулки с навес- ками необлученного наноалмаза массой 31 мг и облу- ченного электронами наноалмаза массой 14 мг. На рис. 5 приведены обнаруженные линии поглощения спектров ЭПР для парамагнитных центров наноалмаза при температуре 5 К на частоте 70,2 ГГц (масштаб раз- вертки магнитного поля М = 20 Э/мм). Видно, что в обоих образцах наблюдается триплетная структура спектра ЭПР, состоящая из интенсивной центральной линии и симметрично расположенных относительно нее слабых сателлитов. Заметим, что при данной тем- пературе линия поглощения в объемных монокристал- лах алмаза не имеет структуры. Кроме этого, в магнит- ном поле Н1 = 24,71 кЭ в спектре ЭПР наноалмаза обнаружена слабоинтенсивная линия с g1 = 2,023, ко- торая принадлежит иону-катализатору никелю. Рис. 4. Спектры ЭПР облученного электронами алмаза при разных температурах. Н\|\|[100], = 72,2 ГГц; H1 = 25,55 кЭ, Н2 = 25,790 кЭ, Н3 = 25,765 кЭ и Н4 = 25,815 кЭ. H, кЭ 5 К П о гл о щ ен и е, о тн . ед . 26,626,225,0 25,4 25,8 H2 H2 H1 H1 H3 H4 25 К 90 К Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2013, т. 39, № 12 1359 Центральные, интенсивные пики в спектрах ЭПР соответствуют резонансному полю Н2 = 25,07 кЭ и электронному g-фактору g2 = 2,0027, как в облучен- ном, так и необлученном наноалмазе. Они принадле- жат P1-центрам азота. Известно, что в нанопорошках появляется дополни- тельно линия поглощения ЭПР от поверхностных цен- тров (оборванные связи на поверхности материала) [12]. Резонансные магнитные поля Р1-центров и по- верхностных центров почти совпадают. Наложение сигналов одиночных атомов азота и интенсивного сиг- нала поверхностных центров приводит к сильному увеличению суммарной интенсивности поглощения. Наблюдение сателлитов, по нашему предположе- нию, связано со сверхтонким взаимодействием, так как в порошке алмаза отсутствует зависимость от ориентации магнитного поля. Резонансное поле равно Н3 = = 25,047 кЭ и Н4 = 25,093 кЭ. Константа сверх- тонкого взаимодействия в порошке А = 23 Э. Отме- тим, что в работе [13] авторы изучали порошок при- родного алмаза методом ЭПР и интерпретировали боковые линии в спектре наличием азотных пар. К сожалению, линии поглощения, связанной с NV- центрами в облученном алмазе и наноалмазе, мы не наблюдаем. Возможно, энергии облучения 2 МэВ не- достаточно для образования нужного количества ус- тойчивых и регулярных NV-центров. Влияние облу- чения электронами на наноалмаз в нашем эксперименте проявляется в изменении интенсивно- сти линий поглощения спектра ЭПР. Интенсивность поглощения облученного наноалмаза значительно больше (растет количество поверхностных дефектов), чем у необлученного (см. рис. 5), хотя масса облу- ченного образца меньше массы необлученного. Это подтверждается и измерением намагниченности на СКВИД-магнитометре (неопубликованные данные). Таким образом, можно утверждать, что в области температур 4,2–100 К для облученного электронами монокристалла алмаза типа Ib регистрируются в ЭПР следующие центры: ростовой структурный парамагнит- ный центр ионов никеля, одиночный азотный Р1-центр, линии спектра сверхтонкого взаимодействия в области температур 15–40 К. Для необлученного и облученного электронами на- ноалмаза при 4,2 К наблюдается парамагнитный центр ионов никеля, триплетная структура спектра ЭПР. Центральная линия в спектре обусловлена одиночны- ми атомами азота и центрами с оборванными связями на поверхности материала. Возбуждение боковых ли- ний в наноалмазе связано с проявлением сверхтонкого взаимодействия. Работа частично поддержана украинско-литовскими проектами №№ М/344-2012 и М/245-2013 и ТАП ЛУ 03/2012. 1. B.V. Spitsyn, L.L. Bouilov, and A.E. Alexenko, Braz. J. Phys. 30, 471 (2000). 2. C.J.H. Wort and R.S. Balmer, Materials Today 11, 22 (2008). 3. S. Dannefaer, Phys. Status Solidi C 4, 3605 (2007). 4. Special issue of Phys. Status Solidi A 154, 1–466 (1996). 5. W.P. Messmer and G.D. Watkins, Phys. Rev. B 7, 2568 (1973), and references therein. 6. J.H.N. Loubser and J.A. van Wyk, Rep. Progr. Phys. 41, 1201 (1978); D. Redman, S. Brown, and R. Rand, Phys. Rev. Lett. 67, 3420 (1991). 7. Н.А. Поклонский, Т.М. Лапчук, Н.И. Горбачук, В.А. Николаенко, И.В. Бачучин, ФТП 39, 931 (2005). 8. Р. Вайшнорас, Е. Хацько, М. Кобец, К. Дергачев, ФНТ 39, 1269 (2013) [Low Temp. Phys. 39, №11 (2013)]. 9. М.И. Самойлович, Г. Н. Безруков, В.П. Бутузов, Письма в ЖЭТФ 14, 551 (1971). 10. Н.А. Поклонский, Г.А. Гусаков, В.Г. Баев, Н.М. Лапчук, ФТП 43, 595 (2009). 11. A. Savitsky, M. Plato, and K. Mobius, Appl. Magn. Reson. 37, 415 (2010). Рис. 5. Спектры ЭПР наноалмаза до (а) и после (б) облучения электронами. Т = 4,2 К; = 70,2 ГГц, Н1 = 24,710 кЭ, Н2 = = 25,070 кЭ, Н3 = 25,047 кЭ и Н4 = 25,093 кЭ. П о гл о щ ен и е, о тн . ед . H2 H1 H4 H, кЭ 0 0,5 1,0 26,1525,7925,4323,98 24,34 24,71 25,07 H3 (a) 26,5126,1525,7925,4323,98 24,34 24,71 25,07 H, кЭ 0 0,5 1,0 П о гл о щ ен и е, о тн . ед . H2 H1 H4 H3 (б) Е. Хацько, М. Кобец, К. Дергачев, А. Кулбицкас, Л. Растениене, Р. Вайшнорас 1360 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2013, т. 39, № 12 12. A.I. Shames, A.M. Panich, W. Kempinski, A.E. Alexenskii, M.V. Baidakova, A.T. Dideikin, V.Yu. Osipov, V.I. Siklitski, E. Osawa, M. Ozawa, and A.Ya. Vul', J. Phys. Chem. Solids 63, 1993 (2002). 13. П.Г. Баранов, И.В. Ильин, А.А. Солтамова, А.Я. Вуль, С.В. Кидалов, Ф.М. Шахов, Г.В. Мамин, С.Б. Орлинский, М.Х. Салахов, Письма в ЖЭТФ 89, 473 (2009). The high-frequency ESR spectra of the syntetic diamond and nanodiamonds type Ib at low temperature E. Khatsko, M. Kobets, K. Dergachev, A. Kulbickas, L. Rasteniene, and R. Vaisnoras The ESR absorption spectra of nonirradiated and ir- radiated (by electrons with an energy of 2 MeV) bulk diamond and nanodiamond powder of type Ib have been studied at a wide range of frequencies (70– 120 GHz) and temperature (4.2–90 K) by ESR meth- od. It is shown, that in the ESR spectrum of bulk dia- mond absorption lines of ion nickel catalyst 1Ni and a paramagnetic single center of the nitrogen N 0 is ob- served. Absorption lines of the paramagnetic centers with dangling bonds on the nanodiamond surface (sur- face defects) in the ESR spectra are obtained. PACS: 76.30.–v Electron paramagnetic resonance and relaxation; 33.35.+r Electron resonance and relaxation; 78.67.Bf Nanocrystals and nanoparticles. Keywords: ESR spectra, impurities, diamond, nano- crystals and nanoparticles.

Высокочастотные спектры ЭПР синтетического алмаза и наноалмаза типа Ib при низких температурах

Репозитарії

Схожі ресурси