Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Использование методов ЭПР для исследования и диагностики материалов, перспективных для применений в квантовой электронике

Диссертация: Использование методов ЭПР для исследования и диагностики материалов, перспективных для применений в квантовой электронике
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

На современном этапе научно-технического прогресса развитие физики конденсированного состояния характеризуется поиском новых высокотехнологичных материалов для квантовой электроники. Это разработка лазерных кристаллов, включающая синтез высококачественных многокомпонентных лазерных и нелинейных кристаллов, поиск новых материалов для создания перестраиваемых лазеров в инфракрасном диапазоне… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. Обзор литературы
    • 1. 1. Тиогаллат свинца РЬОаг
    • 1. 2. Иттрий-алюминиевый гранат УзА^О^
    • 1. 3. Селенид цинка 2п8е
  • Глава 2. Методика эксперимента
    • 2. 1. Технология изготовления образцов
    • 2. 2. Экспериментальная техника
  • Глава 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение. Тиогаллат свинца
    • 3. 1. РЬОа284:Ву3+
    • 3. 2. РЬОа284:Се3+
  • Глава 4. Экспериментальные результаты и их обсуждение. Иттрийалюминиевый гранат УзА
  • Глава 5. Экспериментальные результаты и их обсуждение. Селенид цинка
    • 5. 1. Оптическое пропускание
    • 5. 2. Исследования методом ЭПР
      • 5. 2. 1. Кристаллы ZnSe, легированные хромом методом диффузии
      • 5. 2. 2. Кристаллы гпБе, легированные кобальтом
      • 5. 2. 3. Кристаллы ZnSe, легированные железом в процессе диффузии
      • 5. 2. 4. Легирование кристаллов 7п8е эрбием путем диффузии

Использование методов ЭПР для исследования и диагностики материалов, перспективных для применений в квантовой электронике (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность темы

.

На современном этапе научно-технического прогресса развитие физики конденсированного состояния характеризуется поиском новых высокотехнологичных материалов для квантовой электроники. Это разработка лазерных кристаллов, включающая синтез высококачественных многокомпонентных лазерных и нелинейных кристаллов, поиск новых материалов для создания перестраиваемых лазеров в инфракрасном диапазоне, получение быстродействующих и эффективных сцинтилляторов в области рентгеновского и гамма-излучений. В связи с дальнейшим развитием квантовой электроники резко возросла потребность в новых соединениях обладающих строго определенными как оптическими, так и физико-химическими свойствами. Важнейшие из этих свойств, такие как поглощение и люминесценция, определяются характером электронных переходов в оптических центрах. Оптические центры представляют собой собственные или примесные дефекты кристалла и их характеристики во многом определяются свойствами первой координационной сферы в решетке кристалла. Понимание свойств оптических и парамагнитных центров является базой для разработки новых кристаллов, перспективных для квантовой электроники. Не менее актуальной задачей является дальнейшее исследование физических характеристик уже известных кристаллических материалов. Очевидно, что прогресс в этой области во многом зависит от полноты изученности спектроскопических свойств активированных кристаллов. Одним из прямых методов исследования этих свойств является электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), позволяющий провести химическую идентификацию парамагнитной примеси, определить спиновое состояние и валентность примеси, ее локальную симметрию и состав ближайшего окружения, структуру энергетических уровней, особенности взаимодействия с кристаллической решеткой и т. д.

Метод ЭПР даёт уникальную информацию о парамагнитных центрах. Он позволяет однозначно отличить примесные ионы, изоморфно входящие в решётку, от других микровключений, позволяет вскрыть природу многоцентровости в сложных и структурно-неупорядоченных соединениях.

Спектр ЭПР позволяет получить характеристику не только парамагнитного иона в кристалле, но и самого кристалла, дефектности структуры, особенностей распределения электронной плотности, кристаллического поля, ионности-ковалентности в кристалле и, наконец, просто диагностическая характеристика материала, так как каждый ион в каждом материале имеет свои уникальные параметры. Парамагнитный центр является своеобразным зондом, дающим спектроскопические и структурные характеристики своего микроокружения. Это свойство также используется в так называемом методе спиновых меток и зондов, основанном на введении стабильного парамагнитного центра в исследуемую диамагнитную систему.

При разработке материалов для квантовой электроники особое значение имеет определение и контроль содержания примесей переходных элементов в кристалле в определенном зарядовом состоянии. Методы ЭПР и фото-ЭПР являются чрезвычайно информативными инструментами для проведения диагностики переходных и редкоземельных элементов в кристаллах на электронном уровне.

Цели диссертационной работы заключались в обнаружении и исследовании методами электронного парамагнитного резонанса примесных ионов переходных и редкоземельных элементов, использующихся для создания лазерных активных сред в среднем инфракрасном диапазоне, установлении их зарядового состояния и структуры на электронном уровне, проведении диагностики кристаллической структуры непосредственно лазерных активных сред, а также получении информации о сопутствующих примесях, ухудшающих рабочие характеристики лазерных материалов для минимизации их концентрации.

Для достижения поставленных целей, решались следующие задачи:

1. Регистрация спектров электронного парамагнитного резонанса ионов редкоземельных и переходных металлов в монокристаллах тиогаллата свинца РЬОа284, иттрий-алюминиевого граната УзА^О^ и селенида цинка 2п8е, легированных в процессе роста примесями диспрозия и церия (РЬОа284, у3а15 012) и легированных методом диффузии примесями хрома, кобальта, железа и эрбия (2п8е).

2. Регистрация ориентационных зависимостей спектров ЭПР в магнитном поле.

3. Определение параметров спинового гамильтониана спектров ЭПР парамагнитных примесных центров: тензоров электронных § - факторовконстант магнитного сверхтонкого взаимодействия для изотопов примесных центров, имеющих ядерные магнитные моменты, констант тонкой структуры для центров со спином больше '/г, ширин и формы линий ЭПР.

4. Сравнение экспериментальных результатов с данными, рассчитанными с помощью специальных компьютерных программ для получения информации о химической природе примесных центров, зарядовом состоянии (валентности), электронной структуре, локализации электронной волновой функции примесного центра, структуре кристаллической матрицы в ближайшем окружении примеси.

Научная новизна работы:

1. Впервые исследованы спектры ЭПР ионов диспрозия и церия, замещающих ионы свинца в кристаллической решетке тиогаллата свинца б.

РЬОа284, обнаружено многообразие структурного окружения примесных ионов в кристаллической решетке.

2. Обнаружение новых парамагнитных центров Се3+ в УАО: Се3+, обусловленных дефектами перестановки (антисайт-дефекты) в ближайшем окружении.

3. Проведена диагностика лазерно-активных и сопутствующих примесных парамагнитных центров, образующихся в диффузионном слое кристалла селенида цинка.

4. Предложено использование ионов марганца Мп в качестве идеальной парамагнитной метки для диагностики качества кристаллов в области диффузионного лазерно-активного слоя в кристаллах 2п8е.

Достоверность полученных результатов подтверждается достаточной воспроизводимостью, согласованностью с результатами исследований с помощью других методов, а также их соответствием теоретическим расчетам, выполненным на специальных компьютерных программах.

Научная и практическая значимость диссертационного исследования.

Результаты исследований позволили получить новые данные о спектроскопических свойствах кристаллов тиогаллата свинца, активированных редкоземельными элементами, а также иттрий-алюминиевого граната, легированного церием. Полученные данные по локализации примесей и дефектности структуры могут быть использованы при выращивании кристаллов, для повышения эффективности лазерного излучения на кристаллах РЬОа284: Эу3+ и Се3+.

ЭПР диагностика примесей в селениде цинка может использоваться при разработке режимов, позволяющих минимизировать концентрации сопутствующих примесей, ухудшающих рабочие характеристики лазерных материалов. Также было предложено использовать спектры ЭПР ионов Мп2+ в качестве идеальных меток для контроля на электронном уровне кристаллической структуры активного диффузионного слоя.

Положения, выносимые на защиту:

1. Идентифицированы спектры ЭПР ионов Бу и Се, замещающих ионы свинца в кристаллической решетке тиогаллата свинца РЬОа284 и определены параметры спинового гамильтониана.

2. На основании данных ЭПР показано, что в монокристаллах РЬОа284 с примесью диспрозия наблюдается один тип парамагнитного центра Оу3+, локализованного в положении свинца РЬЗ с локальной симметрией С2, а в монокристаллах РЬва284 с примесью церия наблюдается ряд парамагнитных центров, обусловленных как структурно-неэквивалентными положениями.

5 I свинца, так и ионами Се, в ближайшем окружении которых имеются дефекты приводящие к локальной компенсации заряда.

3. В монокристаллах УзА150]2 с примесью церия обнаружен ряд новых парамагнитных центров Се3+, обусловленных дефектами перестановки (антисайт) в ближайшем окружении.

4. Идентифицированы спектры ЭПР различных переходных и редкоземельных элементов, являющихся лазерно-активными и сопутствующими примесями в диффузионном слое лазерных материалов на основе кристаллов ZnSe, легированных ионами Сг, Со, Бе и Ег.

5. Показана перспективность применения спектров ЭПР ионов Мп2+ в качестве идеальной метки для диагностики качества кристалла 2пБе в области лазерно-активного диффузионного слоя.

Апробация результатов работы.

Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XVI Всероссийской конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред» (Октябрь 2010 г., Краснодар, Россия), XIV International Feofilov Symposium on spectroscopy of crystals doped with rare earth and transition metal ions (October 18−21, 2010, St.-Petersburg, Russia), конференция по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-запада «ФизикаА.СПб» (27−28 октября 2010 г., Санкт-Петербург, Россия), XII Международная конференция «Физика диэлектриков» (Диэлектрики — 2011) (23−26 мая 2011 г., Санкт-Петербург, Россия), XVII Всероссийской конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред» (Сентябрь 2011 г., Краснодар, Россия), конференция по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-запада «ФизикаА.СПб» (26−27 октября 2011 г., Санкт-Петербург, Россия), 8-ая молодежная школа-конференция «Магнитный резонанс и его приложения Spinus 2011» (декабрь 2011 г., Санкт-Петербург, Россия), конференция по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-запада «ФизикаА.СПб» (24−25 октября 2012 г., Санкт-Петербург, Россия), 9-ая молодежная школа-конференция «Магнитный резонанс и его приложения Spinus 2012» (3−8 декабря 2012 г., СанктПетербург, Россия), 10th International Symposium and Summer School «NMR in Life Sciences» (Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter) (July 8−12, 2013, St. Petersburg, Russia).

Публикации: Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них 3 статьи в рецензируемых журналах и 10 публикаций в материалах всероссийских и международных конференций. Список публикаций приведен в конце диссертации.

Структура диссертации: Диссертационная работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения и библиографического списка.

Заключение

.

Суммируем основные результаты:

1. Впервые исследованы спектры ЭПР ионов Dy3+ и Се3+ в монокристаллах тиогаллата свинца PbGa2S4. Установлено, что ионы Dy3+ и Се3+ замещают ионы свинца в кристаллической решетке PbGa2S4. В кристалле PbGa2S4 с примесью диспрозия (концентрация 0.05 ат. %) обнаружен парамагнитный центр в виде одиночного иона Dy3+, локализованный в одном из положений свинца РЬЗ с локальной симметрией С2. В кристалле PbGa2S4, активированном церием, наблюдается ряд парамагнитных центров ионов Се3+. Часть центров (Cel, Се2, СеЗ, Се4) обусловлена структурно-неэквивалентными положениями свинца в кристаллической решетке PbGa2S4 с нелокальной компенсацией заряда, также предполагается, что ряд линий обусловлен образованием парамагнитных центров церия Се3+ рядом с точечными дефектами, обеспечивающими локальную компенсацию заряда. Главные магнитные оси центров Се3+ с локальной компенсацией заряда отклонены на ±5° относительно оси [001] кристалла. Рассчитаны параметры спинового гамильтониана спектров ЭПР иона Dy3+H Се3+ в монокристаллах PbGa2S4.

2. В монокристаллах Y3A150i2 с примесью церия наряду с обычными спектрами ЭПР ионов Се3+, находящихся в бездефектном регулярном окружении, нами обнаружены две новые группы линий ЭПР, обусловленные ионами церия Се3+, локализованными в тех же с-узлах кристаллической решетки, но при этом в ближайшем окружении которых имеются нарушения регулярности кристаллической решетки. Такими нарушениями являются дефекты перестановки в виде замещения ионами Y3+ ионов А13+ в октаэдрических узлах или замещения ионами А13+ ионов Y3+ в додекаэдрических узлах. Установлено, что 1 группа линий соответствует замещениям А13т —> Y3+, а другая — замещениям Y3+ —> А13+.

3. Идентифицированы спектры ЭПР различных переходных и редкоземельных элементов в лазерных материалах на основе кристаллов ZnSe, легированных хромом, кобальтом, железом и эрбием. В результате диффузии хрома, кобальта, железа и эрбия, наряду с рабочей примесью в диффузионном слое обнаружены спектры ЭПР сопутствующих примесей, ухудшающих рабочие характеристики лазерных материалов. Показано, что ионы Мп2+ можно использовать в качестве идеальной метки для диагностики качества кристалла в области диффузионного слоя.

В заключение мне бы хотелось выразить искреннюю признательность и огромную благодарность всем моим наставникам и коллегам, оказавшим помощь и участие при выполнении настоящей работы. В первую очередь хотелось бы поблагодарить моего научного руководителя Баранова П. Г. за его направляющее руководство и постановку целей и задач. Неоценимую помощь в течение всей моей научной деятельности оказали Асатрян Г. Р. и Ильин И. В. Также выражаю искреннюю благодарность всем вместе и индивидуально сотрудникам лаборатории «Микроволновой спектроскопии кристаллов» и моим коллегам Бадаляну А. Г., Бабунцу P.A., Голощапову С. И., Турину A.C., Музафаровой М. В., Романову Н. Г., Солтамову В. А., Солтамовой A.A., Толмачеву Д. О., Храмцову В. А за полезные рекомендации, моральную поддержку и участие при проведении экспериментов.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Д., Бадиков В., Дорошенко М., Фентисова А., Шевырдяева Г., Фотоника 4, 24 (2008)
  2. Peters Т.Е., Baglio J.A., J. Electrochem. 119, 230 (1972)
  3. В.Н., Стефанович В. А., Гадьмаши З. П., Сидей В. И., Сусликов Л. М., ФТТ 49, 338 (2007)
  4. Schlotter Р., Schmidt R., Schneider J., Applied Physics A 64, 417(1997)
  5. Euler F., Bruce J., Acta Crystallographica 19, 971 (1965)
  6. DeLoach L.D., Page R.H., Wilke G.D., Payne S.A., Krupke W.P., IEEE J. Quantum Electron. 32, 885 (1996)
  7. I. Т., Optical Materials 26, 395 (2004)
  8. Fedorov V.V., Mirov S.B., Gallian A., Badikov D.V., Frolov M.P., Korostelin Yu.V., Kozlovsky V.l., Landman A.I., Podmar’kov Yu.P., Akimov V.A., Voronov A.A., IEEE Journal of quantum electronics 42, 907 (2006)
  9. H.H., Данилов В. П., Калинушкин В. П., Студеникин М. И., Шапкин П. В., Насибов A.C., Квантовая электроника 38, 1 (2008)
  10. A.A., Козловский В. И., Коростелин Ю. В., Ландман А. И., Подмарьков Ю. П., Полушкин В. Г., Фролов М. П., Квантовая электроника 36, 1 (2006)
  11. H.H., Пашинин П. П., Шапкин П. В., Насибов A.C., Квантовая электроника 37, 974 (2007)
  12. Estle T.L., Holton W.C., Phys. Rev. 150, 159 (1966)
  13. Ч., Введение в физику твердого тела, «Наука», Москва, 1978, 789с.
  14. С.А., Козырев Б. М., Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп, «Наука», Москва, 1972, 672с.
  15. М.В., Каказей Н. Г., Калиниченко A.M., Литовченко A.C., Радиоспектроскопические свойства неорганических материалов, «Наукова Думка», Киев, 1987, 719с.
  16. Lewis H.R., J. Appl. Phys. 37, 739 (1966)
  17. Geller S., Espinoza G.P., Fullmer L.D., Crandall P.B., Mater. Res. Bull. 7, 1219(1972)
  18. Vallin J.T., Slack G.A., Roberts S., Hughes A.E., Phys. Rev. В. 2, 4313 (1970)
  19. Badikov V., Badikov D., Doroshenko M., Panyutin V., Chizhikov V.l., Shevirdyaeva G., Optical materials 31, 184 (2008)
  20. Nostrand M.C., Page R.H., Payne S.A., Krupke W.F., Shunemann P.G., Optics Letters 24, 1215 (1999)
  21. Doroshenko M.E., Basiev T.T., Vassiliev S.V., Ivleva L.I., Komar МюЛюб Kosmyna M.B., Jelinkova H., Suie J. Optical Materials 30, 54 (2007)
  22. Kamenshchikov V.M., Stefanovych V.A., Gadmashi Z.P., Sidei V.l., Suslikov
  23. M., Ukr. J. Phys. 52, 1142 (2007)
  24. Д.В. Автореферат, канд. дисс., Кубанский государственный университет, Краснодар (2008)
  25. Д.В., Бадиков В. В., Дорошенко М. Е., Фентисова A.A., Чижиков В. И., Шевырдяева Г. С., Материалы XIII Всероссийской конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Краснодар (2007), с.22
  26. А.Г., Бадиков Д. В., Бадиков В. В., Дорошенко М. Е., Шевырдяева Г. С., Материалы XIV Всероссийской конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Краснодар (2008), с. 13
  27. Doroshenko М., Basiev Т.Т., Osiko V.V., Badikov D.V., Advanced Solid-State Photonics (ASSP), Vienna, Austria (2005), p. TuBlO
  28. Basiev T.T., Doroshenko M.E., Osiko V.V., Badikov V.V. and Badikov D.V., Advanced Solid-State Photonics (ASSP), San Diego, California (2010), p. ATuA4
  29. А.Г., Бадиков B.B., Шакуров Г. С., Физика твердого тела 45, 1382 (2003)
  30. W. L., Vanheusden К., Rodriguez М. A., Seager С. Н., Talent D. R., Rack P. D., Holloway P. H., Wagner В. K., Summers C. J., Yocom P. N., Applied Physics Letters 70,478 (1997)
  31. Wang F. F., Treatise on materials science and technology 2, 279 (1973)
  32. White R.L., Philips T.G., Lefever R.A., J. Appl. Phys. 38, 408 (1967)
  33. Nikl M., Laguta V.V., Vedda A. Phys. Stat. Sol. (b) 245, 1701 (2008)
  34. Laguta V.V., Slipenyuk A.M., Glinchuk M.D., Bykov I.P., Zorenko Y., Nikl M., Rosa J., Nejezchleb K., Radiation Measurements 42, 835 (2007)
  35. Ana Belen Munoz-Garcia, Emilio Artacho, Luis Seijo, Phys. Rev. В 80, 14 105 (2009)
  36. Ana Belen Munoz-Garcia, Zoila Barandiaran, and Luis Seijo, Journal of Materials Chemistry 22, 19 888 (2012)
  37. Page R. H, Schaffers K.I., DeLoach L.D., Wilke G. D, Patel F.D., Tassano J.B., Payne S.A., Krupke W.F., Chen K.T., Burger A., IEEE J. Quantum Electron 33, 609(1997)
  38. Podlipensky A.Y., Shcherbitsky V.G., Kuleshov N.V., Levchenko V. I., Yakimovich V.N., Mond M., Heumann E., Huber G., Kretschmann H., Kuck S., Appl. Phys. В 72, 253 (2001)
  39. Sorokina I.T., Sorokin E., Di Lieto A., Tonelli M., Page R.H., Schaffers K.I., JOS, А В 18, 926 (2001)
  40. E., Naumov S., Sorokina I. Т., IEEE Journal of Selected Topics in quantum electronics 11, 690 (2005)
  41. Sorokina I.Т., Vodopyanov K.L., Solid-State Mid-IR Laser Sources, SpringerVerlag, Berlin, 2003, 539p.
  42. Il’ichev N.N., Shapkin P.V., Gulyamova E.S., Kir’yanov A.V., Nasibov A.S., Laser Physics 20, 1091 (2010)
  43. Adams J.J., Bibeau C., Page R. H., Krol D.M., Furu L.H., Payne S.A., Optics letters 24, 1720 (1999)
  44. Title, R. S., Phys. Rev. 133, A1613 (1964)
  45. Ham F.S., Ludwig G.W., Watkins G.D., Woodbury H.H., Phys. Rev. Lett. 5, 468(1960)
  46. Kingsley J.D. and Aven M., Phys. Rev. 155, 235 (1967)
  47. A.A., Гиваргизов Е. И., Багдасаров X.C., Кузнецов В. А., Демьянец JI.H., Лобачев А. Н., Современная кристаллография, т.З, «Наука», Москва, 1980, с. 337
  48. Petrosyan A.G., J. Crystal Growth 139, 372 (1994)
  49. Korostelin Yu.V., Kozlovsky V.l., Nasibov A.S., Shapkin P.V., J. of Crystal Growth 161, 51 (1996)
  50. Г. Р., Баранов П. Г., Жеков В. И., ФТТ 38, 814 (1996)
  51. А., Блини Б., Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов, «Мир», Москва, 1972, 652с.
  52. Acikgoz М., Kazan S., Mikailov F. A., Kerimova Е., Aktas В., Cryst. Res. Technol. 43, 863 (2008)
  53. Vallin J.T., Watkins G.D., Phys. Rev. В 9, 2051 (1974)
  54. Holton W.C., de Wit M., Estle T.L., Dischler В., Schneider J., Phys. Rev. 169, 359 (1968)
  55. Watts R.K., Phys. Rev. В 2, 1239 (1970)
  56. Г. Р., Бадиков В. В., Крамущенко Д. Д., Храмцов В. А., ЭПР ионов Dy3+ в монокристаллах тиогаллата свинца, ФТТ, т.54, с. 1164−1167 (2012)
  57. Г. Р., Бадиков В. В., Крамущенко Д. Д., Храмцов В. А., ЭПР ионов Се3+ в монокристаллах тиогаллата свинца, ФТТ, т.54, с. 1931−1934 (2012)
  58. Д.Д., Асатрян Г. Р., Турин А. С., ЭПР исследования монокристаллов PbGa2S4, активированных ионами диспрозия, ФизикА.СПб: тезисы докладов, Санкт-Петербург, Изд-во Политехнического университета, с. 101−102 (2010)
  59. Г. Р., Бадиков В. В., Храмцов В. А., Крамущенко Д. Д., Гомзин Ю. В., Парамагнитные центры ионов церия в монокристаллах PbGa2S4, Оптика и спектроскопия конденсированных сред: материалы XVII Всероссийской конференции, Краснодар, КубГУ, с. 37−39 (2011)
  60. Д.Д., Асатрян Г. Р., ЭПР исследования Се3+ в монокристаллах тиогаллата свинца, ФизикА.СПб: тезисы докладов, Санкт-Петербург, Изд-во Политехнического университета, с. 109−111 (2011)
  61. Д. Д., Асатрян Г. Р., ЭПР ионов Dy3+ и Се3+ в монокристаллах тиогаллата свинца, Магнитный резонанс и его приложения Spinus 2011: материалы 8-ой Зимней молодежной школы-конференции, Санкт-Петербург, Изд-во СПбГУ, с. 79−81 (2011)
Заполнить форму текущей работой

На отлично!