Введение к работе
Актуальность работы.
Кристаллы с высокоспиновыми парамагнитными центрами (S > 2) являются перспективными материалами для создания приборов квантовой электроники (лазеров, мазеров, квантовых парамагнитных усилителей и др.). Одним из наиболее эффективных методов изучения и контроля подобных материалов является метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В настоящее время промышленностью различных стран выпускаются только узкополосные спектрометры ЭПР, работающие практически на фиксированных частотах. Такие спектрометры очень удобны и эффективны при изучении и контроле материалов, содержащих парамагнитные центры со спиновым моментом S = 1/2. Однако в случае центров с S > 2 существующие узкополосные спектрометры не всегда позволяют достаточно точно и однозначно определить их физические характеристики [1]. Особенно большие затруднения в расшифровке спектров, регистрируемых узкополосными спектрометрами ЭПР, возникают в случае низкосимметричных центров с S > 2, образующихся при легировании кристаллов кубической группы. Большое число магнитно-неэквивалентных центров и начальные расщепления уровней их основного спинового мультиплета, сравнимые (в большинстве случаев) с квантом электромагнитного поля в резонаторе спектрометра, являются причиной появления в спектрах ЭПР большого количества перекрывающихся линий. Невозможность разрешения спектральных линий приводит к тому, что расшифровка таких спектров ЭПР не может быть осуществлена по методикам, разработанным для одночастотной спектроскопии (путем анализа угловых зависимостей положений резонансных линий спектров, зарегистрированных на одной частоте). Даже совместное использование нескольких узкополосных спектрометров, работающих в удаленных друг от друга частотных точках, далеко не всегда позволяет реализовать полную расшифровку спектров ЭПР.
Как показано в работах [1-2], данная проблема может быть решена с помощью спектрометра ЭПР, перестраиваемого в широком диапазоне частот. Однако спектрометр квазиоптического типа, разработанный авторами работы [2], имеет невысокую чувствительность из-за невозможности использования объемного резонатора. Кроме того, квазиоптический способ подачи электромагнитной волны на исследуемый образец не позволяет работать на частотах v < 60 ГГц.
Теоретический анализ, выполненный автором данной диссертационной работы, показал, что возможность плавной перестройки частоты спектрометра ЭПР в относительно неширокой полосе частот (Av ~ 4^-5 ГГц) существенно облегчает расшифровку регистрируемых спектров. Особенно важно то, что стандартные волноводы прямоугольного сечения и цилиндрические перестраиваемые резонаторы способны работать в требуемой полосе частот, что предоставляет возможность создания достаточно чувствительного прибора. Поскольку начальные расщепления спиновых уровней большинства
высокоспиновых центров соответствуют диапазону от 9,3 до 25 ГГц, то спектрометр ЭПР, перестраиваемый в пределах указанного диапазона частот, можно считать востребованным. Учитывая то, что все известные методики расшифровки спектров ЭПР ориентированы на узкополосные спектрометры, одновременно с созданием перестраиваемого спектрометра возникает потребность и в методике, учитывающей особенности его работы.
Таким образом, создание перестраиваемого спектрометра ЭПР с волноводным сверхвысокочастотным трактом и разработка методики расшифровки получаемых на нем спектров представляются актуальными и именно поэтому явились целью данной работы.
Задачи исследования.
-
Разработка и изготовление конструкции спектрометра ЭПР, перестраиваемого в достаточно широком диапазоне частот в неосвоенной конструкторами области (9,3-К25 ГГц) и снабженного волноводным СВЧ трактом и высоко добротным объемным резонатором.
-
Исследования образцов кристаллов кубической симметрии, содержащих в своем объеме низкосимметричные парамагнитные центры с ^эф ^ 2, с целью определения возможностей созданного спектрометра.
-
Теоретическое обоснование и разработка методики расшифровки спектров ЭПР высокоспиновых парамагнитных центров, регистрируемых с помощью перестраиваемого спектрометра ЭПР.
Методы исследования.
В работе использованы фундаментальные методы теории электронного парамагнитного резонанса, теоретические и практические принципы конструирования сверхвысокочастотных волноводных устройств и апробированные методы описания спектров ЭПР, основанные на формализме спинового гамильтониана.
Научная новизна исследования.
-
Разработан и создан перестраиваемый спектрометр ЭПР с волноводным СВЧ трактом и высокодобротным объемным резонатором, работающий в неосвоенной конструкторами области частот и позволяющий осуществлять контроль материалов с высокоспиновыми парамагнитными центрами.
-
Впервые сформулирована методика расшифровки сложных спектров ЭПР, основанная на анализе зависимостей положений резонансных линий от частоты электромагнитного поля в резонаторе перестраиваемого спектрометра.
-
Впервые методом ЭПР получены магнитные характеристики орторомбических центров трехвалентного железа в кристаллах PbF2.
Практическая значимость работы. Разработанные прибор и методика перспективны для контроля веществ с высокоспиновыми низкосимметричными парамагнитными центрами, поскольку позволяют расшифровку сложных спектров ЭПР кристаллических материалов, содержащих большое количество магнитно-неэквивалентных центров с S > 2. Спектрометр и методика расшифровки спектров ЭПР окажутся полезными при разработке нового поколения спектрометров ЭПР, перестраиваемых по частоте, а также при
проведении научных исследований различных магнитных явлений в твердых телах, содержащих в своем объеме высокоспиновые парамагнитные центры. На защиту выносятся.
-
Конструкция перестраиваемого спектрометра ЭПР, снабженного волноводным СВЧ трактом и высокодобротным объемным резонатором и рассчитанного на работу в диапазоне частот от 12,1 ГГц до 16,9 ГГц.
-
Методика расшифровки сложных спектров ЭПР низкосимметричных высокоспиновых парамагнитных центров, основанная на анализе зависимостей положений резонансных линий от частоты электромагнитного поля в резонаторе перестраиваемого спектрометра.
-
Результаты изучения магнитных характеристик ромбических парамагнитных центров Fe в кристаллах PbF2, подтверждающие эффективность использования разработанного перестраиваемого спектрометра ЭПР и предложенной методики расшифровки регистрируемых с его помощью спектров.
Достоверность полученных результатов определяется использованием известных теоретических и технических принципов конструирования СВЧ волноводных устройств и апробированных методов описания спектров ЭПР, а также повторяемостью результатов в серии экспериментов, проведенных на разработанном спектрометре.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV, V и VI
молодежных международных научных конференциях «Тинчуринские чтения»
(Казань, 2009, 2010, 2011); XV, XVI и XVII Международных научно-
технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника,
электротехника и энергетика» (Москва, 2009, 2010, 2011); VIII всероссийской
конференции «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной
оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2009); на научно-
техническом семинаре «Инновационные разработки в технике и электронике
СВЧ» (Санкт Петербург, 2010); на XVIII и XIX Международных молодежных
конференциях «Туполевские чтения» (Казань, 2010, 2011); XXIII
Всероссийской межвузовской научно-технической конференции
«Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2011); Международной конференции «Spin Physics, Spin Chemistry and Spin Technology» (Казань, 2011).
Реализация результатов работы.
Созданный спектрометр используется для проведения исследований диэлектрических и полупроводниковых кристаллов, легированных парамагнитными ионами переходной группы, а также в качестве стенда для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Физика металлов, полупроводников и диэлектриков», читаемой на кафедре «Промышленная электроника» КГЭУ магистрантам направления подготовки 210100.68 «Электроника и микроэлектроника».
Публикации.
Основное содержание работы отражено в 11 научных публикациях, включая 3 статьи в научном журнале, входящем в Перечень ВАК, и 8 материалов докладов на международных и всероссийских научных конференциях.
Личный вклад автора работы.
Результаты, представленные в диссертации и публикациях, получены при непосредственном участии автора работы. Автор принимал участие в создании перестраиваемого спектрометра ЭПР, в формировании идей, разработке методики, проведении экспериментов, обсуждении и обработке экспериментальных данных, написании статей и представлении докладов на конференциях. Основные блоки перестраиваемого спектрометра ЭПР разработаны непосредственно автором.
Соответствие диссертации научной специальности.
Диссертация соответствует специальности 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и затрагивает следующие области исследований Паспорта специальности:
1) разработка методики расшифровки сложных спектров ЭПР, основанная
на анализе зависимостей положений резонансных линий от частоты
электромагнитного поля в резонаторе перестраиваемого спектрометра
соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование
существующих методов аналитического и неразрушающего контроля
природной среды, веществ, материалов и изделий»;
2) разработка и создание перестраиваемого спектрометра ЭПР с
волноводным СВЧ трактом и высокодобротным объемным резонатором,
работающего в неосвоенной конструкторами области частот и позволяющего
осуществление контроля материалов с высокоспиновыми парамагнитными
центрами соответствует п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов,
средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий,
имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами».
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 155 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 83 наименования, и списка авторской литературы из 13 наименований. В работе приведено 43 рисунков, 7 таблиц и 3 приложения.
