Введение к работе
Актуальность темы: Многие химические элементы имеют несколько изотопов, и изотопический беспорядок проявляется в различных физических свойствах кристаллов. Относительно слабые спектральные изотопические эффекты до последнего времени были наблюдены лишь в небольшом числе соединений, поскольку обычно они скрыты в неоднородной ширине спектральных линий. Развитие технологии выращивания изотопически обогащенных образцов и методов спектроскопии высокого разрешения позволило непосредственно наблюдать и измерять изотопическую структуру оптических и ЯМР-спектров кристаллов, что открыло возможность детального теоретического исследования механизмов формирования этой структуры, сравнения различных теоретических моделей и прогнозирования величин изотопических эффектов. Исследования изотопических эффектов в кристаллах представляют одно из перспективных направлений развития физики неупорядоченных систем, они также стимулируются потребностью квантовой и микроэлектроники в методах контроля за изотопической однородностью кристаллов-матриц.
Изменение масс атомов в кристалле практически не влияет на величины межатомных взаимодействий и в рамках гармонического приближения проявляется только в динамике кристаллической решетки. Рассмотрение статических изотопических эффектов требует учета энгармонизма колебаний. Наличие в решетке дефектов массы обнаруживается, в частности, при прецизионных измерениях зависимостей структурных постоянных кристалла от температуры и его изотопического состава, теплопроводности кристалла, частот и формы линий комбинационного рассеяния. Цель диссертации:
Выяснить механизмы формирования изотопической структуры в оптических спектрах кристаллов, активированных редкоземельными ионами, с учетом корреляций массовых дефектов в позициях примесных ионов и в изотопически неупорядоченной решетке.
Вычислить на основе микроскопических моделей динамики решетки и кристаллического поля величины вкладов различных механизмов в изотопическую структуру оптических линий в кристаллах LiYF4:HoJ* и LiYF^Er3*, обусловленную изотопическим беспорядком в литиевой подрешетке и в подсистеме примесных редкоземельных ионов.
Определить силовые постоянные третьего порядка и исследовать влияние локальных изотопических деформаций кристалла германия на форму линий ЯМР "Ge (1=9/2).
Перечисленные выше цели работы непосредственно связаны с задачами интерпретации данных спектральных исследований, выполненных М.Н.Поповой с сотрудниками в Институте спектроскопии РАН в Троицке (изотопические эффекты в оптических спектрах) и С.В.Верховским с сотрудниками в Институте физики металлов РАН в Екатеринбурге (спектры ЯМР германия). Положения, выносимые на защиту:
-
В кристалле, содержащем дефекты массы, индуцируются локальные деформации, обусловленные ангармоническими колебаниями решетки. Различия в межатомных расстояниях. обусловленные изотопическим беспорядком, достигают максимальной величины (на единицу дефекта массы) вблизи примесного изотопа; в двойных фторидах 'Li,'Li,.xYF4:'6iHo'*-490, вблизи изотопов эрбия в'LiYFj^Er3* - 3.72 и в кристаллах Ge-З.ЗІ в единицах 10* А.
-
Изотопическая структура сверхтонких переходов с интервалами между отдельными компонентами от 0.013 до 0.028 см"1 в спектре поглощения кристалла 'Lix'Li1.!lYF<:T6SHo,* обусловлена локальными деформациями решетки.
-
В спектре поглощения кристалла 'Ь^УРд-^Ег1* изотопическая структура с интервалами порядка 50 МГц на единицу массы изотопа эрбия является результатом изменений как статического кристаллического поля, так и электрон-фононного взаимодействия в зависимости от массы примесного иона.
-
Время спин-решеточлой релаксации в кристалле германия в подсистеме ядер "Ge в интервале температур от 50 до 300 К. обусловлено взаимодействием квадрупольного момента ядра с градиентом кристаллического поля, которое модулируется колебаниями решетки.
-
Посгроенные линии ЯМР "Ge (2%) в обогащенном кристалле германия-74 в зависимости от ориентации магнитного поля имеют существенно различную форму. При комнатной температуре в магнитном поле,, параллельном тетрагональной оси, спектр поглощения имеет вид острого пика который у основания трансформируется в плато с шириной порядка 50 Гц, при ориентации магнитного поля параллельно тригональной оси ц'ирина плато увеличивается до 200 Гц, а интенсивность центрального перехода уменьшается. На плато
наблюдается слабая структура отдельных линий, обусловленная изотопическими деформациями кристалла и магнитным диполь-дипольным взаимодействием. Научная новизна: В диссертации впервые рассчитываются изотопические локальные деформации, индуцированные взаимодействующими друг с другом через поле фононов массовыми дефектами в примесном узле активированной решетки и в позиции изотопически неупорядоченной подрешетки матрицы.
Без использования подгоночных параметров построены спектры поглощения кристаллов 6Li>7Li,.xYF<:'"Ho5* и 7LiYF4:n,Er!*, содержащие четко выраженную изотопическую структуру, согласующиеся с данными измерений.
Показано, что ядерная спин-решеточная релаксация в кристаллах германия обусловлена двухфононнымн комбинационными процессами в интервале температур от 50 до 300 К.
Впервые с учетом изотопических деформаций рассчитана форма ЯМР-линий германия-73 в изотопически обогащенном кристалле ,4Ge и построены огибающие спектра для различных температур. Научная и практическая значимость:
-
Созданы базы данных (спектральные плотности корреляционных функций смещений атомов) для кристаллического германия и двойного фторида лития-иттрия, которые могут быть использованы в решении различных задач физики этих кристаллов.
-
Построен алгоритм расчета изотопической сверхтонкой структуры оптических переходов, оперирующий только со спектрачьными характеристиками оптических центров (параметры кристаллического поля и электрон-фононного взаимодействия рассчитаны в модели зарядов на связях) и регулярной решетки.
-
Программы расчетов унифицированы и могут быть использованы для прогнозирования изотопических эффектов в различных неметаллических кристаллах.
Апробация работы: результаты работы были представлены в докладах на X Феофиловском симпозиуме по спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных и переходных металлов, Санкт-Петербург (Россия), 3-7 июля, 1995 г.; на Международной конференции по исследованиям редкоземельных соединений, Дулут (США), 7-12 июля, 1996 г.; на Международной конференции по f-элементам, Париж (Франция), 14-18 сентября, 1997г. и опубликованы в двух статьях.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих 12 параграфов, заключения, двух приложений и списка литературы. Работа изложена на 102 листах машинописного текста, содержит 20 рисунков и 24 таблицы. Список литературы насчитывает 67 наименований.
