Письма в ЖЭТФ, том 92, вып. 3, с. 177-182
© 2010 г. 10 августа
Фотоуправляемая магниторезонансная пластичность 7-облученных
кристаллов КС1:Ге
Р. Б. МоргуновV
Учреждение Российской академии наук Институт проблем химической физики 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия
Поступила в редакцию 9 июня 2010 г.
Обнаружено фотоуправляемое резонансное уменьшение микротвердости, вызванное приложением взаимно перпендикулярных постоянного и микроволнового магнитных полей в 7-облученных кристаллах КС1:БЪ. Установлено, что магнитопластичность кристаллов 7-КС1:Ре, не подвергавшихся фотоэкспозиции, обусловлена резонансным влиянием магнитных полей на два типа примесных центров: 1) центры, содержащие ионно-вакансионные пары Ре2+ -ис, 2) центры, содержащие ионы Ре+. Освещение кристаллов 7-КС1:Ре ^-светом (с длиной волны А = 500—600 нм) приводит к перестройке спектра электронного парамагнитного резонанса, детектируемого по изменению микротвердости. Влияние Е-евета на спектры магниторезонансной пластичности заключается в подавлении спектров ионов Ре2+-ис с эффективными ^-факторами 7.0 и 3.5 в результате их рекомбинации с ^-электронами и восстановления до центров Ре+ с ^-факторами 2.2 и 4.1.
1. Введение. Магнитопластичность кристаллов в постоянном магнитном поле, обусловленная спин-зависимым взаимодействием дефектов структуры, была обнаружена группой Альшица (подробный обзор. см. в [1]). Магниторезонансная пластичность (изменение пробегов дислокаций и других характеристик пластичности в постоянном и микроволновом магнитных полях, удовлетворяющих условиям парамагнитного резонанса) была обнаружена в кристаллах МаС1 в работе [2]. В дальнейшем различными группами авторов это явление было обнаружено как в различных ионных [2-8], так и в полупроводниковых кристаллах [9,10]. Обстоятельный анализ этих явлений дан в недавнем обзоре [11]. Возможность влияния скрещенных постоянного и микроволновых полей на пластичность кристаллов в условиях парамагнитного резонанса является прямым доказательством влияния спин-зависимых процессов на подвижность дислокаций в кристаллах. Главную часть маг-нитопластического эффекта связывают с влиянием магнитного поля на эволюцию пар дефектов, генерируемых вблизи ядра движущихся дислокаций [1,11]. Эти эффекты теоретически рассмотрены и интерпретированы в [1,11-14]. Другая существенная часть магнитопластического эффекта связана с влиянием магнитного поля на спин-зависимую кинетику агрегирования примеси в кристаллической решетке ионных кристаллов [15-17]. Процесс термоактивированного блуждания парамагнитных точечных дефектов (ионов примеси) в кристаллической решетке спин-
Че-таП: morguiiov2005eyandex.ru
зависимый, поскольку он сопровождается их встречами и образованием так называемых "контактных" пар (димеров), эволюция спинов в которых управляется магнитным полем, как и конечный результат их встречи (распад или дальнейшее укрупнение). От мультиплетности таких пар, управляемой магнитным полем, зависит вероятность того, образуется ли устойчивая пара с обменно-связанными спинами или снова распадется на исходные компоненты [15]. Как правило, величина наблюдаемых эффектов значительно превышает величину ~ цвдВ/кТ ~ ~ 1%, ожидаемую для термализованных носителей спинов в парах (цв - магнетон Бора, д - "^-фактор", В ~ 1 Тл - индукция магнитного поля, к - постоянная Больцмана, Т ~ 300К - температура). Это связано с тем, что время жизни контактных пар оказывается короче времени спин-решеточной релаксации, то есть спиновая подсистема в паре ионов не успевает термализоваться. В результате, в экспериментах при комнатной температуре наблюдаются изменения пробегов дислокаций на 50-100%, а также соответствующие изменения микротвердости кристаллов Н на ~ 5—15% под действием постоянного и микроволнового магнитных полей в условиях резонанса. Поскольку магнитное поле влияет на процесс агрегации и взаимодействия примеси, его присутствие не обязательно в процессе пластической деформации. Именно этот тип магнитопластичности обсуждается в данной работе.
Идентификация типа парамагнитных центров, ответственных за спин-зависимую магнитопластичность в ионных кристаллах, часто затруднена тем,
что даже небольшие концентрации ионов примеси могут оказывать более существенное влияние на подвижность дислокаций, чем основная примесь (обычно Са2+), если ионный радиус примесных ионов сильно отличается от радиуса ионов кристаллической матрицы. В кристаллах, в которых парамагнитная примесь вводится преднамеренно в высоких концентрациях (например, примесь Еи2+ в [16,17]), ее участие в магнитопластичности кристаллов не вызывает сомнений. Однако в "химически чистых" и даже "спектрально чистых" ионных кристаллах, в которых наблюдаются магнитопластические эффекты [24], идентификация ионов затруднена тем, что в них присутствуют ионы Ее+, Ее2+, Ее3+, Си2+, Мп2+, Са2+ и др. примерно в равных количествах. Поэтому в большинстве случаев тип примесных ионов, определяющих магнитопластичность кристаллов, не установлен. Эта проблема в настоящее время решена только для кристаллов МаС1:Еи, в которых ионы Еи2+ обладают весьма характерным спектром ЭПР, который трудно спутать со спектром других ионов [5,6,8]. В данной работе будет показано, что легко идентифицируемыми спектрами обладает примесь железа в ионных кристаллах.
Спектры ЭПР, детектируемые по изменению пластичности в слабо легированных кристаллах, часто весьма сходны со стандартными спектрами ЭПР ионов железа (автор признателен Ю.Н. Молину, обратившему внимание на это обстоятельство). Ранее было показано [18-23], что в 7- или Х-облученных ионных кристаллах ионы железа могут иметь различную степень ионизации - Ее+, Ее2+ или Ее3+, а также характеризоваться различной симметрией кристаллического поля в зависимости от наличия вакансий в ближайшей позиции или включенности ионов в сложные комплексы. В [18-23] эти состояния эффективно различали с помощью ^-факторов ионов, полученных стандартным методом ЭПР (по поглощению микроволновой мощности). Поэтому эффект магниторезо-нансной пластичности может быть использован для установления типа примеси, которой обусловлен маг-нитопластический эффект, а также ее электронного состояния (степени ионизации, спин-орбитального взаимодействия и расщепления уровней в кристаллическом поле). Одновременное присутствие в кристалле дефектов, способных поставлять электроны в зону проводимости под действием света (^-центров), является удобным методом управления зарядовым состоянием примеси. Цель настоящей работы заключалась в идентификации типа ионов, возбуждение парамагнитного резонанса в которых приводит к изменению пластических свойств кристаллов 7-КС1:Ее, а
также в создании условий для управления концентрацией этих ионов при фотостимулированной ионизации ^-центров.
2. Методика экспериментов и образцы. Монокристаллы КС1, облученные 7-источником (104рад), содержали примесь Са (5 • 10-2ат.%), Си (5 • 1(Г3ат.%), Ее (5 • 1(Г2ат.%), Мё (1(Г2ат.%). (Автор признателен У. Тапшнйо за помощь в анализе химического состава.) Для экспериментов из слитка выкалывали образцы размером 2 х 5 х 5 мм3. Микротвердость по Виккерсу Н = 1.8544 2Р/с12 определяли с помощью приставки к оптическому микроскопу МеорЬо^З. Для измерения Н использовали нагрузку на алмазную пирамидку Р = 10 г, которая в исходных кристаллах (в контрольных образцах, не подвергавшихся действию света или магнитного поля) приводила к образованию квадратного отпечатка с диагональю й = 61 мкм на поверхности (001). Коридор допустимых значений длины диагонали Ай = 1 мкм определяли путем накопления 10-15 отпечатков, сделанных в разных местах поверхности. Затем вычисляли относительную погрешность Ас1/с1 = 1.5% и соответствующую ей погрешность измерения микротвердости АН/Н = 3%. При микротвердости контрольных кристаллов Щ = 120 МПа это соответствует ошибке АН = 3.5 МПа. Эта величина была одинаковой для разных образцов, и в дальнейшем она показана на рисунках в качестве коридора допустимых значений Н. Микротвердость в контрольных измерениях Но, одинаковая в различных образцах, показана на рисунках штриховой линией. Аналогичным образом упомянутые величины вычисляли для кристаллов, подвергнутых действию света или магнитного поля.
Образцы, которые вначале служили контрольными, затем подвергали действию взаимно перпендикулярных постоянного и микроволнового магнитного полей в ЭПР спектрометре Вгикег ЕБН-ЗОО. При этом значение постоянного магнитного поля В поддерживалось неизменным с точностью ~ 1 Э (развертка не включалась), а направление поля было вдоль кристаллографической оси [001]. Микроволновое магнитное поле создавало пучности стоячей волны в цилиндрическом резонаторе и имело частоту V = 9530 ГГц, которую определяли при измерении эталонного спектра ЭПР на калибровочных образцах МпСЬ 1:50, СаСОз и БРРН (дифенилпикрилгидразил). Мощность микроволнового поля 10 мВт соответствовала напряженности микроволнового поля В1 = 1 Э. После выдержки образцов в этих условиях в течение 15-20 мин снова измеряли микротвердость Н. Следующий образец выдерживали уже при другом постоянном магнит-
ном поле, а затем для него определяли микротвердость. Для разных образцов значение постоянного магнитного поля выбирали из диапазона 0.05-0.4 Тл. Таким образом, ступенчатое сканирование спектра ЭПР с шагом QB ~ 50—70 Э происходило путем измерения микротвердости образцов при последовательно возрастающих значениях постоянного магнитного поля и неизменном микроволновом магнитном поле.
Поскольку свет мог приводить к "выжиганию" F-центров, то все описанные выше процедуры производили в затемнении со слабой красной подсветкой. В тех экспериментах, в которых нужно было возбудить F-электроны в зону проводимости, использовали свет электрической лампы и светофильтры, пропускающие свет в диапазоне длин волн Л = = 500—600 нм, перекрывающем максимум полосы поглощения F-центров Л = 555 нм. Такое освещение длительностью 5 с было предназначено для того, чтобы инициировать перераспределение концентраций ионов Fe+, Fe2+ или Fe3+ путем рекомбинации F-электронов с ними, и, таким о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.