WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 8 Наноструктурирование кристаллических зерен природного алмаза ионизирующим излучением ¶ © Н.А. Поклонский, Т.М. Лапчук, Н.И. Горбачук, В.А. Николаенко, И.В. Бачучин Белорусский государственный университет, 220050 Минск, Белоруссия Российский научный центр „Курчатовский институт“, 123182 Москва, Россия (Получена 27 декабря 2004 г. Принята к печати 12 января 2005 г.) Исследованы кристаллические зерна природного алмаза типа IIa (средняя масса зерна 1мг), облученные в атомном реакторе флюенсом 1021 см-2 нейтронов. Облучение приводит к уменьшению макроскопической плотности зерна на 40%. Впервые зарегистрирован квадратурный сигнал электронного парамагнитного резонанса с g-фактором 2.00006 и временем парамагнитной релаксации > 10-5 c. Возможной причиной появления этого сигнала в облученном алмазе являются метастабильные нескомпенсированные электронные спины, находящиеся на внутренней поверхности нанопор. Подобный сигнал наблюдается и в порошке фуллерита C60. Результаты спектроскопии электронного парамагнитного резонанса облученных алмазов согласуются с данными спектроскопии комбинационного рассеяния света (появление аномально широкой полосы с максимумом при 950 см-1 вместо узкой одиночной линии 1332 cм-1 в исходном образце) и электронной микроскопии (появление наноструктурированности). Установлено, что наноструктурирование алмаза под воздействием ионизирующего излучения приводит к появлению электропроводности на постоянном токе с энергией активации 0.17 эВ в диапазоне температур 30–300C.

1. Введение Российского научного центра „Курчатовский институт“.

Флюенс нейтронов измерялся детекторами активации из 54 Алмаз является перспективным материалом электрон- Fe [5]. Контроль температуры облучения осуществлялной техники, использование которого сдерживается от- ся по методу изохронного отжига алмаза или карбида сутствием приемлемых технологий его легирования для кремния [6]. Температура образцов в ходе облучения формирования слоев n-типа электропроводности (см., выдерживалась около 100C.

например, [1,2]). Поэтому актуальным является поиск Расширение алмаза определялось по радиационному способов управления электрофизическими свойствами изменению его плотности | /0|, где 0 = 3.55 г/см3 — алмаза без изменения его химического состава. Соглас- плотность необлученного алмаза, = - 0 < 0 — но [3], для различных аморфных материалов характерна уменьшение плотности (расширение) вследствие обпространственная наноструктурированность (неоднород- лучения. Для измерения | /0| использовался метод ность в нанометровом масштабе), т. е. присущая кри- термоградиентной трубки [7]; погрешность определения сталлам периодичность в расположении атомов сохра- | /0| составила 1%. В работе исследовались исходные няется только в пределах нескольких координационных и облученные флюенсом 1021 см-2 нейтронов зерна сфер. Нанонеоднородности являются не одиночными алмаза с радиационным расширением | /0| 40%.

образованиями, а фрагментами, из которых целиком 2. Электронно-микроскопическое изображение скола построены аморфные материалы, а также стекла. Это облученного алмаза, полученное с помощью растровопозволяет рассматривать ионизирующее излучение, приго электронного микроскопа LEO 1455 VP (энергия водящее к разупорядочению кристаллов (а при опредеэлектронов 20 кэВ, ток через образец 20 пА) приведено ленных условиях и к упорядочению [4]), в качестве метона рис. 1. На вставке, в центре — скол необлученда создания новых наноструктурированных материалов и ного алмаза. Изменение морфологии скола (появлеприборных структур на основе алмаза. Цель настоящей ние „шагреневости“) свидетельствует о радиационноработы — изучение свойств кристаллических зерен алстимулированном изменении структуры алмаза в наномаза, облученных большими флюенсами ионизирующего метровом масштабе.

излучения в атомном реакторе.

3. Измерения электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) алмаза проводились в резонаторе H102 на частоте 9.3 ГГц сверхвысокочастотного (СВЧ) излуче2. Экспериментальные результаты ния мощностью до 70 мВт. Поляризующее магнитное и их обсуждение поле модулировалось с частотой 100 кГц. Регистрация спектров ЭПР проводилась при комнатной температуре.

1. Исследовались монокристаллические зерна природВисходных (необлученных) зернах алмаза сигналы ЭПР ного алмаза типа IIa (средняя масса зерна — 1 мг).

не наблюдались. В облученных образцах наблюдались Облучение образцов проводилось в атомном реакторе (рис. 2, a) как синфазный сигнал (фаза опорного на¶ E-mail: poklonski@bsu.by пряжения и фаза сигнала ЭПР на входе синхронного 3 932 Н.А. Поклонский, Т.М. Лапчук, Н.И. Горбачук, В.А. Николаенко, И.В. Бачучин Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение скола алмаза, облученного в атомном реакторе флюенсом нейтронов 1021 cм-2; на вставке в центре — скол исходного алмаза.

детектора совпадают, = 0), так и квадратурный (фаза опорного напряжения и фаза сигнала ЭПР отличаются на = 90), свидетельствующие (согласно [8]) о наличии парамагнитных центров (ПЦ), для которых времена релаксации велики (> 10-5 c). Отметим, что на спектре ЭПР облученных алмазов при = 90 впервые зарегистрирован сигнал 3, имеющий g-фактор 2.00006 и ширину B3 = 0.06 мТ.

При тех же условиях регистрации ЭПР нами исследовались высокочистые (> 99%) порошки фуллерита C60, экстрагированные с помощью толуола из сажи, полученной при испарении графита в электрической дуге [9]. (Согласно [10], полученный таким же способом порошок фуллерита C60 состоит из кристаллических гранул размером 1-5мкм). В спектрах ЭПР порошка фуллерита на воздухе регистрировались (рис. 2, b) два типа линий: линия 1 в фазе ( = 0) с полем высокочастотной (100 кГц) модуляции поляризующего магнитного поля и линия 2 в квадратуре ( = 90). Ширина линии синфазного (1) сигнала равна B1 = 0.125 мТ;

g1 = 2.00236. Одновременно с линией (2) наблюдался еще один сигнал (3) c g-фактором g3 = 2.00002 и шириной линии B3 = 0.06 мТ (рис. 2, b). Отметим, что линии ЭПР (g1 = 2.0023, g3 = 2.000) связывались с фуллереном C60 (см., например, [11]).

Для зерен облученного алмаза и порошка фуллерита С60 изучались зависимости амплитуд сигналов ЭПР от мощности СВЧ излучения. (Предварительно было установлено, что на ширину, интенсивность и g-фактор сигналов ЭПР вакуумирование образцов до 10-2 Topp, a Рис. 2. a — Спектры ЭПР образца (| /0| 40%) природнотакже отжиг при температуре 200C в течение 30 мин на го алмаза типа IIa массой 1 мг; b — ЭПР порошка фуллерита воздухе не оказывают влияния). На рис. 2, c, d приведены C60 массой 2 мг; 1 — = 0, 2, 3 — = 90 (измерения при зависимости амплитуд A1 и A3 сигналов 1 и 3 облученнотемпературе T 300 K и H1/H1m = 0.5); c, d — зависимости го алмаза (рис. 2, a) и порошка фуллерита C60 (рис. 2, b) нормированных на максимальные значения A1m и A3m амплитуд от напряженности H1 магнитной компоненты СВЧ поля A1 и A3 сигналов 1 и 3 алмаза (Dia) и порошка фуллерита Cв резонаторе H102. Видно, что характеры насыщения ПЦ, от величины напряженности H1 магнитной компоненты СВЧ ответственных за линии с g-факторами g3 = 2.00006 и поля; c — регистрация при = 0, d — = 90. (Значение g3 = 2.00002 для облученного в реакторе зерна природ- H1m соответствует СВЧ мощности 70 мВт).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Наноструктурирование кристаллических зерен природного алмаза ионизирующим излучением природного наноструктурного материала — шунгита (3).

Как следует из рис. 3, изменение структуры алмаза вследствие облучения проявляется в появлении в КРС аномально широкой полосы с максимумом при 950 см-и исчезновении узкой одиночной линии 1332 см-1. Для углеродных наноструктурных материалов, содержащих кластеры графеновых слоев с sp2-гибридизованными связями, характерно присутствие полос D и G в спектрах КРС (см., например, [16–18]). К таким материалам относятся шунгит (рис. 3, спектр 3), ультрадисперсные алмазы. Отметим, что следы природных фуллеренов Cобнаружены в шунгите [19]. Полосы G и D в спекРис. 3. Спектры КРС (при температуре 80 K): 1 —исходный трах КРС нанопористого углерода, а также в спектрах алмаз, 2 — алмаз после облучения, 3 — шунгит (содержание аморфного гидрогенизированного углерода обычно не углерода 98 мас.%; интенсивность КРС увеличена в 10 раз).

разделяются, и одна широкая полоса имеет максимум в интервале 1300–1600 см-1. Насколько нам известно, максимумы широких полос КРС этих материалов не находятся вблизи значения 950 см-1. Однако в спектрах ного алмаза и порошка фуллерита C60 соответственно, КРС фуллеритов и углеродных нанотрубок наблюдается близки именно для квадратурного сигнала (ср. рис. 2, c ряд полос [11,20] в диапазоне 300–1000 см-1. Поэтому и 2, d).

вероятной причиной смещения максимума спектра 2 в Таким образом, и в облученном алмазе, и в порошке окрестность 950 см-1 является присутствие в объеме фуллерита C60 наблюдаются парамагнитные центры с облученного алмаза наноструктур (или нанопор) с исбольшими (> 10-5 c) временами релаксации [12], близкривленными графеновыми плоскостями. Возможность кими значениями g-факторов, ширин линий, а также образования дефектов с искривленными графеновыми сходными характерами зависимостей амплитуд сигнаплоскостями показана в [21].

лов 3 от величины напряженности H1 магнитной ком5. Измерения электропроводности на постоянном токе поненты СВЧ поля. Возможной причиной появления выполнялись по стандартной методике. Электрические линии 3 от ПЦ с большими временами релаксации контакты к зернам алмаза наносили серебряной пастой.

(> 10-5 c) и в облученном алмазе, и в порошке фулЗерна алмаза становились проводниками электричества лерита C60 являются нескомпенсированные электронтолько после облучения в реакторе. В диапазоне темпеные спины, находящиеся на внутренней поверхности ратур от 30 до 300C энергия активации электропроводнанопор [13] облученного алмаза и внутри углеродного ности алмазов (с расширением | /0| 40%) составкаркаса отдельных молекул C60 (или пор в гранулах ляет 0.17 эВ. Возможно, что эта термическая энергия порошка фуллерита).

активации электропроводности обусловлена проявлениАргументом в поддержку гипотезы о наличии нескомем прыжкового переноса электронов по собственным пенсированных электронных спинов на поверхности радиационным дефектам [22] вследствие „пленения“ ими нанопор в облученных зернах алмаза является метауровня Ферми [23].

стабильность только парамагнитных центров, обусловливающих линию 3 на рис. 2, a. При многократном (примерно 30 раз) прохождении через резонанс линия 3. Заключение исчезала как на спектрах образцов облученного алмаза, так и на спектрах ЭПР порошка фуллерита C60. Это моОблучение зерен природного алмаза типа IIa в атомжет быть обусловлено перестройкой спиновой системы, ном реакторе флюенсом 1021 см-2 нейтронов привоформирующей линию 3, при стимулированной измередит наряду с радиационным уменьшением плотности ниями ЭПР релаксации полей упругих напряжений [14] на 40% к изменению морфологии скола (появление в облученном алмазе. В работе [15] продемонстрировано неоднородности в нанометровом масштабе). Радиациувеличение (в сотни раз) скорости подобной перестройонная перестройка структуры зерен алмазов сопровоки спиновой системы при измерении ЭПР в пористых ждается: 1) появлением квадратурного сигнала ЭПР структурах.

(g3 = 2.00006) от метастабильных парамагнитных цен4. Комбинационное рассеяние света (КРС) в зернах тров с временами парамагнитной релаксации > 10-5 c;

алмаза возбуждалось Nd : YAG-лазером (длина волны 2) появлением в спектре КРС аномально широкой = 1064 нм, мощность излучения — от 30 до 500 мВт).

полосы с максимумом при 950 cм-1 и исчезновениРегистрация спектров КРС проводилась при температу- ем узкой одиночной линии 1332 см-1; 3) переходом ре 80 K в геометрии рассеяния назад.

в электропроводящее состояние с энергией активации На рис. 3 представлены спектры КРС исходного (1) 0.17 эВ проводимости на постоянном токе в диапазоне и облученного (2) алмазов, а также, для сравнения, температур 30-300C.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 934 Н.А. Поклонский, Т.М. Лапчук, Н.И. Горбачук, В.А. Николаенко, И.В. Бачучин Список литературы Nanostructuring of crystalline grains of the natural diamond by ionizing [1] С.К. Итон, Ю.Е. Евстефеева, Дж.К. Энгус, А.Б. Эндерсон, radiation Ю.В. Плесков. Электрохимия, 39 (2), 170 (2003).

[2] В.С. Вавилов. УФН, 167 (1), 17 (1997).

N.A. Poklonski, T.M. Lapchuk, N.I. Gorbachuk, [3] В.К. Малиновский. ФТТ, 41 (5), 805 (1999).

V.A. Nikolaenko, I.V. Bachuchin [4] И.П. Чернов, А.А. Мамонтов, П.А. Черданцев, Б.В. ЧахBelarusian State University, лов. Изв. вузов. Физика, 37 (12), 58 (1994).

[5] S.M. Zaritsky, P.A. Platonov, Yu.A. Nikolaev, B. Osmera, 220050 Minsk, Belarus V. Valenta. In: Reactor Dosimetry: Radiation Metrology and Russian Research Center Kurchatov Institute“, ” Assessment, ASTM STP 1398 (American Society for Testing 123182 Moscow, Russia and Materials, West Conshohocken, PA, 2001) p. 53.

[6] В.А. Николаенко, В.И. Карпухин. Измерение темпера

Abstract

The crystalline grains of natural IIa type diamond (avтуры с помощью облученных материалов (М., Энергоerage grain mass 1mg) irradiated by neutron flux 1021 cm-атомиздат, 1986).

in the nuclear reactor have been investigated. Irradiation leads [7] М.Я. Кац. Новые методы исследования минералов в to 40% decrease of grain macroscopic density. 90-Out-of-phase гравитационном поле (М., Наука, 1966).

ESR-signal with g-factor 2.00006 and paramagnetic relaxation [8] J.R. Harbridge, G.A. Rinard, R.W. Quine, S.S. Eaton, time > 10-5 s is detected for the first time. The possible G.R. Eaton. J. Magn. Res., 156 (1), 41 (2002).

reason of this signal appearance in irradiated diamond are the [9] В.Д. Шиманович, А.И. Золотовский, И.П. Смягликов, metastable non-compensated spins located on the inner surface of С.М. Панковец. ЖПС, 68 (3), 393 (2001).

nanopores. Similar signal is observed in the C60 fullerene powder.

[10] Э.М. Шпилевский. В сб.: Алмазные пленки и пленки ESR-spectroscopy results of irradiated diamonds are agreed with родственных материалов (ННЦ ХФТИ, Харьков, КонRaman scattering data (anomalously wide band with maximum станата, 2003) с. 242.

at 950 cm-1 as a result of radiation instead of narrow single [11] C.A. Reed, R.D. Bolskar. Chem. Rev., 100 (3), 1075 (2000).

line 1332 cm-1 in non-treated sample) and electron microscopy [12] Н.А. Поклонский, Т.М. Лапчук, Н.М. Лапчук. Аморфdata (appearance of nanostructuring). It is established, that nanoные и микрокристаллические полупроводники: Сб. тр.

structuring of diamond by ionizing radiation leads to appearance IV Межд. конф. С.-Петербург, 5–7 июля 2004 г. (ФТИ им.

of dc-electroconductivity with activation energy 0.17 eV in the А.Ф. Иоффе РАН, СПб., 2004) с. 91.

temperature range 30-300C.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.