Динаміка спінових систем та мікрохвильове поглинання в напівпровідниках та низькоомних твердих розчинах

• Радіоспектроскопія і оптико-магнітні дослідження напівпровідникових та діелектричних матеріалів, перспективних для опто- та квантової електроніки (2000-2002 р. р., НАН України, № держреєстр. 0100U000113) ;

• проекту 4. 4. 323 Фонду фундаментальних досліджень ДКНТ України “Дослідження механізмів водневого окрихчення сталей та розробка фізичних основ конструювання водневостійких сталей”. Шифр “Водень” (1997-2000 р. р.) ; а також:

• проекту INTAS-97 N 30961 (1997-2000 р. р.) ; проекту STCU N641 “Nitrogen steels for aerospace industry” (1998-2000 р. р.) ; проекту INTAS No. 00-761 “Novel carbon-based composite nanomaterials chemically produced from carbides” (2001-2003 р. р.).

Мета і задачі досліджень. Об'єктом досліджень, результати яких наведені в дисертації, є процеси взаємодії мікрохвильового випромінювання зі спін-активним конденсованим середовищем, а предметом досліджень є особливості динаміки парамагнітних систем і магнітні взаємодії у твердих тілах за наявності носіїв струму. Метою досліджень було виявлення природи нових динамічних явищ, індукованих взаємодіями спінових систем локальних і нелокальних центрів у напівпровідниках та низькоомних твердих розчинах, та механізмів їхнього впливу на мікрохвильовий відгук, магнітні та електричні властивості цих матеріалів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Докладно вивчити процеси і механізми спін-залежної взаємодії між фотозбудженими носіями струму та локальними домішковими центрами в монокристалах кремнію, а також проаналізувати їхній вплив на процеси спін-граткової релаксації та спін-залежної рекомбінації.

2. Комплексно дослідити процеси формування термічних дефектів у кисеньвміщуючому кремнії, вивчити природу їхньої електричної і парамагнітної активності та зв'язку між електронними станами в об'ємі напівпровідника з тими, що належать низьковимірним дислокаційним структурам.

3. Встановити взаємозв'язок між процесами поступової аморфізації поверхні кремнію під дією іонного бомбардування та динамікою спінової системи парамагнітних дефектів. Вивчити особливості механізмів спін-фононної взаємодії в аморфному матеріалі.

4. Вивчити особливості взаємодії спінових систем вільних та локалізованих електронів в умовах виродження електронного спектру (3-d розчини) та вплив цих процесів на магнітну сприйнятливість та інші характеристики. Визначити роль водню в динаміці магнітних властивостей 3-d сплавів та дослідити процеси його десорбції.

5. Встановити особливості механізмів мікрохвильового відгуку та його динаміки у напівпровідникових надгратках PbTe-PbS і монокристалах RBa2Cu3O7-x при наявності переходу цих систем у стан надпровідності.

6. Вивчити природу парамагнітних центрів у нових вуглецевих матеріалах (фулерит С60, композит С60: Er, алмазоподібні плівки). Виявити взаємозв'язок між умовами синтезу, структурою та фазовим складом цих матеріалів, та динамікою їх спінових систем. Визначити особливості спінової динаміки у тонких плівках.

7. Створити та доопрацювати комплекс апаратури для вивчення резонансних та нерезонансних мікрохвильових властивостей матеріалів у широкому діапазоні магнітних полів та температур.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті комплексних досліджень динамічних явищ, індукованих спіновими системами в провідних твердотільних матеріалах вперше отримано такі наукові результати:

1. Виявлено новий фізичний ефект – індукована спін-залежними процесами захоплення носіїв спінова орієнтація локальних центрів у напівпровідниках. З'ясовано природу ефекту і механізми його реалізації для стабільних і метастабільних спінових станів. На підставі аналізу процесів орієнтації уперше визначено ряд характерних динамічних параметрів цих систем.

2. Встановлено природу двох типів парамагнітних термодефектів (один з них – Si-nК центри – виявлено вперше) у кисеньвміщуючому кремнії. У ньому вперше виявлено новий тип сигналів резонансного мікрохвильового поглинання – електродипольний спіновий резонанс (ЕДСР) – та з'ясовано його природу, пов'язану з особливостями руху електронів у низьковимірних структурах.

3. Виявлено та описано нові типи сигналів динамічного відгуку в монокристалах YBa2Cu3O7-x і надгратках PbTe-PbS. Встановлено природу сигналів, зумовлену переходом цих систем у стан надпровідності (для надграток (НГ) PbTe-PbS – дислокаційно-індуковану).

4. Вперше встановлено зв'язок між умовами осадження, фазовим складом і величиною внутрішніх напружень в алмазоподібних плівках та динамікою парамагнітної системи, пов'язаної з дефектами. Виявлено механізм впливу водню на концентрацію дефектів за рахунок зниження внутрішніх напружень у плівках. Виявлено та описано кореляцію між структурними змінами в плівці (a-C) чи на поверхні напівпровідника (кремній) під дією іонного бомбардування. Вперше для аморфних матеріалів у a-C плівках виявлено ефект анізотропії g-фактора і показано його зв'язок з особливостями диполь-дипольної взаємодії в тонких плівках.

5. У твердих розчинах 3d елементів виділено три типи парамагнітних підсистем (електрони провідності, локалізовані спінові моменти і суперпарамагнітні кластери), характер взаємодії між якими визначає температурні залежності g-фактора сигналу ЕПР та магнітної сприйнятливості матеріалу. Виявлено і пояснено кореляцію між процесами десорбції міжвузельного водню в 3-d сплавах і динамікою сигналів феромагнітного резонансу, з аналізу якого визначені параметри десорбції. У сплавах NiMnGa з магнітною пам'яттю форми вперше встановлено зв'язок між значеннями коефіцієнтів магнітної анізотропії, концентрацією вільних носіїв і величиною ефекту магніто-індукованої деформації.

6. З'ясовано природу основного типу парамагнітних дефектів у фулериті С60 і вперше синтезованому композиті С60: Er, пов'язану з присутністю катіонів-радикалів С60+. У композиті виявлена незвичайна динаміка властивостей спін-системи C60+ при низьких температурах, обумовлена її взаємодією з підсистемою Er3+. Остання вказує на розтягнутий по температурі фазовий перехід у феромагнітний стан, індукований за рахунок суперобміну з лігандними молекулами С60.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення дисертації полягає в наступних її результатах:

1. Сукупність результатів по динаміці