Введение к работе
Актуальность темы Одним из основных измеряемых параметров в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) является время спин-решеточной релаксации ядер Ті, величина которого непосредственно отражает интенсивность взаимодействия системы ядерных спинов с решеткой. В большинстве высокоомяых твердых тел (как кристаллических, так и аморфных) скорость спин-решеточной релаксации определяется вкладами двух механизмов: «решеточного», обеспечивающего релаксацию в идеальных образцах, и «примесного», идущего за счет имеющихся в образце примесей или собственных парамагнитных дефектов. До последнего времени разделение механизмов спин-решеточной релаксации представляло существенные трудности, что непосредственно отражалось на информативности данных по измерениям характерного времени Ті. Выделение примесного вклада осуществлялось либо в рамках имеющихся модельных представлений о временных, температурных или полевых зависимостях восстановления сигнала ядерной намагниченности, либо на основе сравнения с образцами, считающимися совершенными, хотя во многих случаях примесный механизм остается эффективным и для образцов, синтезированных из особо чистых материалов. Оба этих способа носят оценочный характер и приводят к неопределенности в разделении вкладов различных механизмов ядерной спин-решеточной релаксации. Вместе с тем, сравнительно недавно было сообщено о результатах экспериментов по воздействию на спиновую систему квадрупольных ядер стационарными резонансными полями, которые в условиях сильного насыщения сигнала ЯМР приводят к локальному перегреву спин-системы вблизи парамагнитных центров и при выполнении определенных условий к подавлению примесного вклада в релаксацию. На основе этого эффекта был разработан метод прямого измерения решеточного и примесного вкладов во время спин-решеточной релаксации ядер в присутствии стационарного магнитного поля. Однозначное разделение вкладов различных механизмов в реальных твердых телах позволило бы судить о количестве и пространственном распределении точечных дефектов, получать информацию о спиновой диффузии, об интенсивности суперсверхтонкого квадрупольного и дипольного взаимодействий и т.п.
Целью диссертационной работы является исследование эффективности механизмов ядерной спин-решеточной релаксации в номинально чистых, слаболегированных и подвергнутых у-облучению кристаллах корунда, хлористого натрия, арсенида галлия и двойного сульфата лития и цезия. В качестве метода исследования используется прямое измерение решеточной и примесной компонент во время Т, при условии стационарного магнитного насыщения ядерной спин-системы.
Для достижения указанной цели были поставлены задачи: модернизация промышленного спектрометра ЛМР, которая предусматривает использование термостатированной измерительной головки с регулируемым температурным режимом и создание в объеме образца контролируемого стационарного магнитного поля резонансной частоты на время измерения ядерного Ті; разделение решеточного и примесного механизмов спин-решеточной релаксации ядер 27А1 в специально очищенном и ряде слабо легированных парамагнитными примесями кристаллов корунда; экспериментальное изучение процесса подавления примесной релаксации в А1203 с примесью хрома в зависимости от степени магнитного насыщения спин-системы 27А1 до и после у-облучения образца; выделение вклада в скорость спин-решеточной релаксации ядер Na от F-центров, возникших под действием у-облучения хлористого натрия; получение температурной зависимости решеточной компоненты Т] квадруполышх ядер 69Ga и 71Ga в чистом и легированных кристаллах GaAs, 23Na в номинально чистом кристалле NaCl, 27А1 в чистом и легированном кристалле А1203; изучение ориентационной зависимости сигнала ЯМР во внешнем магнитном поле и раздельное измерение решеточного и примесного вкладов в Т] ядер 7Li в LiCsSCU для диапазона температур, включающего сегнетоэластический фазовый переход.
Научная новизна. В диссертационной работе разработан чувствительный способ определения малых концентраций примесных парамагнитных центров на примере ионов хрома в кристаллах корунда при помощи прямого разделения решеточного и примесного вкладов во время Ті. Для малых концентраций примесных ионов показано, что подавление их вклада в Tt стационарным резонансным магнитным полем происходит при характерных величинах насыщения спиновой системы ядер.
По результатам релаксационных измерений в ядерной спин-системе при температуре 77 К оценены недоступные в данных условиях другим спектроскопическим методам эффективность суперсверхтонкой связи и время спиновой релаксации четырехвалентного хрома в слабо легированном корунде, а также время спиновой релаксации радиационных F-центров в хлористом натрии.
На основе результатов измерений температурной зависимости решеточного вклада в Tj показано, что квадрупольная релаксация ядер галлия в кристаллах арсенида галлия и ядер натрия в хлористом натрии хорошо описываются в рамках приближения Дебая для фононного спектра.
Измерено время спин-решеточной релаксации ядер лития в кристалле двойного сульфата лития и цезия в температурном диапазоне, включающем сегнетоэластический фазовый переход.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в применении нового, более информативного метода раздельного измерения примесного и решеточного вкладов в спин-решеточную релаксацию квадруполъных ядер для анализа физических характеристик ряда широко используемых технологических твердотельных материалов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Способ определения в твердых телах малой концентрации примесных парамагнитных ионов на основе эффекта подавления резонансным магнитным полем примесного механизма ядерной спин-решеточной релаксации;
-
Методика оценки времен спиновой релаксации парамагнитных центров по прямому разделению механизмов спин-решеточной релаксации ядер;
-
Экспериментальное разделение решеточного и примесного вкладов в процесс спин-решеточной релаксации квадрупольных ядер алюминия в чистом, в легированных и подвергнутых у-облучению кристаллах корунда, а также ядер натрия в у-облученном кристалле хлористого натрия;
-
Результаты прямых измерений температурной зависимости квадрупольной решеточной компоненты времени спин-решеточной релаксации ядер в номинально чистых кристаллах арсенида галлия, корунда и хлористого, натрия в условии магнитного насыщения линии ЯМР;
-
Измерение времени спин-решеточной релаксации ядер 7Li в кристалле двойного сульфата цезия и лития в температурном диапазоне, включающем сегнетоэластический фазовый переход.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на 28-ом международном конгрессе AMPERE (Canterbury, 1996), на 13-той европейской конференции по экспериментальному ЯМР EENC (Paris, 1996), на заседании секции Головного совета по приборостроению «Приборы и системы акустоэлектронной и оптической обработки информации» (С.Петербург, 1995), а также на семинарах отдела физики твердого тела НИИ Физики СГТбГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 печатные работы. Список ігубликаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 142 наименований, содержит 138 страниц машинописного текста, включая 27 рисунков и 2 таблицы.
