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

Виготовлено та досліджено новий матеріал – композит С60: Er, отриманий шляхом термобаричної обробки (тиск 8 ГПа при Т=1073 К) вихідної суміші 90 mol. % C60 + 10 mol. % Er2O3. Встановлено, що спостережувані в композиті ПЦ мають таку ж природу, як і у вихідному фулериті: молекули-радикали С60+. Виявлено аномальну поведінку сигналів ЕПР у композиті: різке зростання ширини лінії при низьких температурах і поява анізотропії величини резонансного поля вздовж та перпендикулярно площині тонкого зразка. Показано, що ці аномалії зумовлені взаємодією з підсистемою іонів Er3+. Остання демонструє розтягнутий по температурі фазовий перехід у феромагнітний стан. Встановлену температурну залежність намагніченості підсистеми Er3+ пояснено в рамках теорії феромагнетизму неупорядкованих матеріалів.

З порівняння теорії з експериментом визначено температуру Кюрі переходу Тс @ 7 К і енергію суперобмінної взаємодії між іонами Er3+ через лігандні молекули С60, яка складає J0 @ 20 меВ.

У восьмому розділі представлено результати дослідження динаміки парамагнітних властивостей і її зв'язку з мікроструктурою аморфних алмазоподібних плівок, отриманих різними засобами, у тому числі модифікованих за допомогою іонної імплантації. Вивчені ЕПР, КРС та електричні властивості твердих безводневих ta-C і водневмісних (гідрогенізованих) DLHC плівок з величиною внутрішніх напружень 2. 8ё8. 5 ГПа. У цих плівках виявлено високу густину парамагнітних дефектів Ns= (1. 0ё4. 5) Ч1021 см-3, пов'язаних з обірваними зв'язками вуглецю (g=2, 0025). З аналізу залежностей ширини ліній ЕПР DDHpp від Ns, вмісту водню і рівня внутрішніх напружень встановлено три різних типи плівок. Найбільш тверді ta-C-I плівки з найбільшим вмістом sp3 фракції (від 70 до 85% за даними КРС) характеризуються найбільшою густиною дефектів і кореляцією величин Ns і DDHpp з величиною внутрішніх напружень. Для них є типовими неоднорідний розподіл дефектів і наявність стрибкового руху електронів, що уширює лінії ЕПР за рахунок збільшення швидкості спін-граткової релаксації (рис. 6с). Відпал ta-C-I плівок приводить до зменшення ширини лінії ЕПР (рис. 6а) за рахунок зниження концентрації ПЦ і, відповідно, ефективності стрибкового руху електронів.

Більш однорідний розподіл ПЦ з високою Ns, але нижчим рівнем напруг (внаслідок часткової їх релаксації в процесі осадження), є характерним для ta-C-II плівок. Мала ширина ліній ЕПР у них зумовлена ефектом обмінного звуження, що підтверджується збігом характерної теоретичної кривої DDHpp (Ns) з даними експерименту. Третій тип – DLHC плівки з різним вмістом водню сН. Для них є характерними більш високий вміст sp2 фракції, менший рівень внутрішніх напружень і менша Ns. Ширина ліній ЕПР у них залежить від сН і при низьких Т визначається надтонкою взаємодією з протонами. З ростом Т ширина ліній зменшується внаслідок ефектів обмінного і рухового звуження (рис. 7d). Характерна поведінка ширини лінії ЕПР при відпалі таких зразків (рис. 7б) пов'язана з температурно стимульованою ефузією водню. Виявлена в цих плівках анізотропія провідності пояснена в термінах переважної орієнтації sp2 фрагментів паралельно поверхні плівки.

Вивчено вплив імплантації іонів Ni і W на динаміку ПЦ в a-C: H і a-C: H: N плівках з високим (до 45%) вмістом водню (PLHC плівки).

Виявлено, що процес імплантації стимулює ефузію водню і приводить до зростання концентрації парамагнітних дефектів до Ns@2ґ1020 см-3 у порівнянні з Ns < 1017 см-3 у вихідних плівках (рис. 8а). За даними КРС виявлено ефект іонно-індукованого відпалу a-C: H: N плівок, що приводить до зміни відносного вмісту sp2/sp3 фракції і, як наслідок, до немонотонної залежності Ns від дози імплантації W, яка спостерігається по ЕПР (рис. 8б).

Вперше для аморфних парамагнетиків у всіх типах плівок виявлено анізотропію g-фактора ПЦ в орієнтаціях магнітного поля вздовж та перпендікулярно площині плівки. Показано, що спостережуваний ефект є зв'язаним з особливостями диполь-дипольної взаємодії в тонких плівках, які стають більш суттєвими при високій концентрації спінів і низькій температурі. Подібна динаміка спостерігається і в імплантованих плівках (рис. 8с), однак виявлено, що ефект Dg у них у 3-5 разів більше за умов однакових Ns. Це показує, що зсув резонансного поля в імплантованих плівках залежить від локальної концентрації ПЦ, яка істотно перевищує середню по зразку концентрацію ПЦ Ns.

 

 

У дисертації розглянуто наукову проблему з'ясування природи, основних закономірностей