Вплив электричних полів, радіації і температури на характеристики парамагнітних домішок в кварці

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ім. Г.В. КУРДЮМОВА

УДК 538.955

01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ВПЛИВ ЭЛЕКТРИЧНИХ ПОЛІВ, РАДІАЦІЇ І ТЕМПЕРАТУРИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМАГНІТНИХ ДОМІШОК В КВАРЦІ

Ларіков Антон Леонідович

Київ - 2009



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в інституті геохімії, мінералогії і рудоутворення Національної академії наук України

Науковий керівник: Доктор геологічних наук, чл. кор. НАН України Пономаренко Олександр Миколайович Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення ім. М.П. Семененка НАН України, директор інституту

Офіційні опоненти: Доктор фізико-математичних наук Прохоров Валерій Георгійович Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, провідний науковий співробітник

Кандидат фізико-математичних наук Котов Віталій Васильович Інститут магнетизму НАН України, старший науковий співробітник

Захист відбудеться ” 10 “ листопада 2009 р. о 14 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 26.168.02 при Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, за адресою 03680,м. Київ-142, Україна, бульв. Академіка Вернадського, 36

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, за адресою 03680, м. Київ-142, Україна, бульв. Академіка Вернадського, 36

Автореферат розісланий ” 09 “ жовтня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук Сизова Т.Л.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Кварц широко застосовується в таких галузях техніки, як електроніка, акустичне та оптичне приладобудування, хімічне обладнання. Парамагнітні домішки, велика частина яких пов'язана з ізоморфним заміщенням іонами таких металів, як алюміній, титан, германій, суттєво впливають на технічні характеристики і стабільність параметрів виробів з кварцу. Парамагнітні центри здійснюють також вплив на його оптичні, механічні та інші фізичні властивості.

Перехід домішкових центрів в парамагнітний стан пов'язаний з впливом радіації і термічного відпалу. Важливу роль в процесах утворення і розпаду парамагнітних центрів в кварці відіграє рухливість іонів лужних металів і протонів. Ці іони локалізовані в структурних каналах кварцу та виконують роль компенсаторів заряду. Аналіз існуючої літератури показав недостатню вивченість цих проблем.

Цінна інформація про локальну структуру кварцу може бути отримана при дослідженні парамагнітних центрів. Коло задач, що при цьому вирішуються, може бути розширене за допомогою зовнішніх електричних полів. Така дія дозволяє змінювати симетрію і релаксаційні властивості парамагнітних центрів. Однак, недостатня вивченість такого впливу призводить до неоднозначності і низької надійності результатів що отримуються. Реакція на зовнішнє електричне поле залежить від взаємодії між парамагнітними центрами, яка визначається температурою та співвідношенням концентрацій. Це співвідношення може бути змінено за допомогою умов опромінення і термічного відпалу. Цим пояснюється комплекс досліджень, що проведено в даній роботі.

Значне розповсюдження кварцу в природних об'єктах викликає інтерес до його властивостей, що відображають умови утворення та подальшу історію цього метеріалу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота була виконана в рамках відомчих тем НАНУ «Радіоспектроскопічні дослідження кварцу гранитоїдів Українського щита» (№ держ. реєстрації 80023336) і «Радіаційні дефекти в силікатах та мінералах біогенного походження в зв'язку з вирішенням геологічних і екологічних проблем» (№ держ. реєстрації 0102U000537).

Ціль дисертації полягала в визначенні впливу таких зовнішніх дій як радіація, відпал і електричні поля на парамагнітні центри в кварці. Для цього необхідно було вирішити наступні задачі.

1. Вдосконалення методики прикладання постійного та змінного електричних полів до зразків за різних температур.

2. Моделювання характеристик спектрів і процесів, що відбуваються при прикладанні до кварцу застосованих зовнішніх дій.

3. Детальне вивчення параметрів спектрів парамагнітних центрів в монокристалічних та порошкоподібних зразках кварцу.

4. Визначення впливу іонізуючого випромінювання і відпалу на процеси утворення і розпаду парамагнітних центрів, а також їх динамічні характеристики. електричний поле кварц іонізуючий

Наукова новизна отриманих в дисертації результатів полягає в тому, що вперше автором досліджувався в комплексі вплив таких зовнішніх дій, як іонізуюче випромінювання, відпал, постійне та змінне електричні поля на структуру і динамічні властивості найбільш розповсюджених в кварці парамагнітних центрів (Al-O-, Ti3+/Li+, Ge3+/Na+, E). Велика частина досліджень проведена при температурі рідкого гелію 4,2 К. При цьому було виявлено і описано новий тип електропольового ефекту, що пов'язаний з впливом електричних полів на швидкість релаксації парамагнітних центрів за умови насичення зееманівської системи НВЧ полем. Також виявлено та описано ефект крос-поляризації центрів Ge3+/Na+ і E за рахунок центрів Al-O-, що швидко релаксують при дії змінного електричного поля. Для пояснення останнього було запропоновано модель спінового холодильника.

Практична цінність роботи. Отримані в дисертаційній роботі результати дозволили розробити ряд методик, які можуть бути застосовані у вирішенні деяких технічних, мінералогічних та пошуково-геологічних завдань. На основі вивчених електропольових ефектів розроблено спосіб оцінки якості кварцевих резонаторів, методика збільшення інтенсивності сигналів ЕПР і методика визначення орієнтації дефектних тетраедрів в структурі плеохроічних зразків кварцу. За допомогою радіаційної і термічної обробки кварцу запропоновано метод оцінки концентрацій різних типів іонів компенсаторів. Цей метод дозволяє отримати інформацію про умови утворення кварцу та його подальшу геологічну історію. В ході виконання роботи також запропоновано низку нових методик і вдосконалень, що дозволяють підвищити ефективність і розширити можливості радіоспектроскопічних досліджень.

Автор захищає:

1. Виявлено та описано явище крос-поляризації, що полягає в стаціонарному охолодженні парамагнітних центрів за рахунок крос-релаксації з центрами, які охолоджені за допомогою магнітоелектричного ефекту. Експерименти проведено на зразках кварцу з Ge3+/Na+ та Е-центрами, які пов'язані через крос-поляризацію з Al-O- центрами. Показано, що процеси охолодження парамагнітних центрів за допомогою електричних полів можуть бути представлені як процеси в холодильній машині.

2. Для зразків природного і синтетичного кварцу визначено вплив дефектності кристалу, орієнтації електричних диполів, пов'язаних з парамагнітними центрами, населеності різних структурних позицій домішковими центрами на величину ефектів, що спричинені постійними електричними полями

3. Виявлений і описаний новий тип електропольових ефектів, що виникають при насиченні зееманівської системи НВЧ полем. Механізм ефекту пов'язаний з впливом електричних полів на швидкість релаксації парамагнітних центрів і проявляється в їх денасиченні і, як наслідок, в збільшенні майже на два порядки інтенсивності сигналів ЕПР. Експериментально ефект вивчено на Al-O- центрах в зразках кварцу з малою концентрацією парамагнітних центрів (5.1015 см-3).

4. На основі вивчення радіаційних і термічних властивостєй парамагнітних центрів (Al-O-, Ti3+/Li+) в кварці розроблено низку методик, що дозволяють вирішувати прикладні завдання в галузі мінералогії, техніки і пошукової геології.

Особистий внесок автора. Автором проведено огляд літературних джерел з питань, що розглядаються в дисертації. Автор приймав участь в постановці задачі та плануванні експерименту. Він особисто займався підготовкою зразків та проведенням вимірювань. Крім того, за участі автора було розроблено та впроваджено ряд вдосконалень експерименту, виготовлено деякі додаткові приспособи. Автор також особисто займався обробкою результатів, самостійно або в співавторстві робив висновки. Також самостійно та в співавторстві автор публікував роботи за отриманими результатами і робив доповіді на конференціях та нарадах.

Апробація роботи. Результати роботи доповідалися і представлялися на I Всесоюзній школі з фізики мінералів (Алушта, 1984 р.), Всесоюзній нараді “Кинетика и механизм химических реакций в твердом теле” (Алма-Ата, 1986 р.), Всесоюзній нараді “Воздействие ионизирующего излучения на гетерогенные системы” (Кемерово, 1986 р.), Всесоюзній конференції “Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве” (Казань, 1988 р.), Нараді “Радиоспектроскопия кристаллов с фазовыми превращениями” (Київ, 1989 р.), Нараді “Минералогия кварца” (Сиктивкар, Росія, 1992), XXVI Congress AMPERE in Magnetic Resonance (Афіни, Греція, 1992 р.), XVI General Meeting IMA (Піза, Італія, 1994 р.).

Публікації. Основні наукові положення, що подані в дисертації, викладені в 17 наукових друкованих роботах. Серед них 10 статей в наукових журналах, 3 з яких в журналах, що відповідають переліку ВАК з даної спеціальності. Окрім того, 7 робіт опубліковано в тезах та збірках праць різних конференцій, в тому числі міжнародних.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновків. Загальний обсяг дисертації 184 сторінки, з яких 125 сторінок основного тексту. Список використаної літератури 138 найменувань на 13 сторінках. Дисертація містить 42 ілюстрації, 5 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обгрунтування актуальності теми дисертації та її цілі, в ньому зформульовано також положення, що виносяться автором до захисту.

Розділ 1 називається "Структура і властивості кварцу, як об'єкту радіоспектроскопічних досліджень".

Відомо багато поліморфних модифікацій кремнезему. Однак за нормальних умов термодинамічно стабільним є альфа-кварц. Він відноситься до тригонально-трапецоедричного класу симетрії (32) тригональної сингонії. В кристалах альфа-кварцу є гвинтова вісь третього порядку і три перпендикулярні до неї осі другого порядку. Найменшою часткою цієї структури є SiO4-тетраедр. До складу елементарної комірки входять три таких тетраедри, послідовно повернуті один відносно одного на 120о навколо осі третього порядку і зміщені вздовж цієї осі на 1/3 параметру комірки. Наявністю гвинтової осі обумовлено існування двох енантіоморфних різновидів - правого і лівого.

З симетрією кристалів кварцу пов'язана анізотропія його фізичних та хімічних властивостей, які вивчені в широкому диапазоні температур. Нею зумовлені п'єзоелектричні, п'єзооптичні та пружнооптичні властивості. В реальних кристалах можлива присутність різних двійників. Двійникування за дофінейським законом тісно пов'язане з - перетворенням в кварці.

Більш детальний погляд на структуру SiO4-тетраедру показав, що в ньому є дві пари Si-O зв'язків різної довжини, що може бути описано локальною симетрією C2V. Цим єлементом структури в складі реальних кристалів зумовлена значна частина різних спектроскопічних властивостєй кварцу. З одного боку, SiO4-тетраедр може спотворюватися за рахунок вакансій та міжвузлових атомів кисню чи кремнію та їх комплексів, з іншого, наявністю домішок в кремнієвій позиції та в міжвузловині.

Кварц без домішок - діамагнетик. Але в реальних кристалах, в результаті зовнішніх дій, можуть бути утворені різні парамагнітні центри, більшість яких пов'язана з наявністю домішок різних металів. Більша частина серед них є радіаційними дефектами.

Найбільш представлену і вивчену групу складають центри, пов'язані з домішками заміщення. Їх прийнято ділити на електронні та діркові. Утворення діркових центрів пов'язане з ізоморфним заміщенням Si4+ на позитивні іони трьох- і меншої валентності. Електронні центри утворюються за входження до цієї позиції іонів з такою ж як у кремнію чи більшою валентністю. Велике різноманіття центрів цієї групи пов'язане з необхідністю компенсації заряду за допомогою іонів-компенсаторів, роль яких частіше за все виконують одновалентні іони лужних металів, або протони.

Менша вивченість парамагнітних центрів, що пов'язані з домішками проникнення та власними недомішковими дефектами в кварці, зумовлена меншою кількістю радіоспектроскопічних властивостей, що дозволяють деталізувати їх структуру. Серед них можна виділити парамагнітні іони і атоми проникнення, а також, радіаційні електронні та діркові центри, що пов'язані з вакансіями іонів кисню та кремнію.

В розділі 1 дано також огляд робіт, що стосуються впливу зовнішніх дій на парамагнітні центри та їх предцентри. Розглянуто вплив температури, радіації, електричних полів та механічних дій. Двооксид кремнію SiO2 входить до складу багатьох широко розповсюджених в земній корі гірських порід, складаючи ії значну частину.

Розділ 2 називається "Характеристики досліджених парамагнітних центрів в кварці і методики проведення досліджень".

Важливу роль при радіоспектроскопічних дослідженнях відіграють анізотропні характеристики парамагнітних центрів. Так, при вивченні монокристалічних зразків було необхідно на основі g-тензорів, що отримані в попередніх дослідженнях, розрахувати відповідні кутові залежності в різних площинах обертання зразків. В даному розділі детально розглянуто методику розрахунку і побудування кутових залежностей для всіх структурно нееквівалентних положень паамагнітного центру. Наводиться приклад побудування таких залежностей для центрів Al-O- та Ti3+/Li+, які мають відповідно 6 та 3 структурно нееквівалентних положення в структурі кристалу.

Центр Al-O- один з найбільш вивчених і розповсюджених в кварці парамагнітних центрів. Його утворення в результаті опромінення можна уявити як захоплення дірки іоном кисню, сусіднього до іону Al3+, що заміщує іон Si4+. При цьому лужний іон-компенсатор дифундує від дефектного вузла і захоплюється на інших дефектах кристалу. При температурах 77 К і нижче, при яких проводилися дослідження, центри знаходяться в основному стані, коли дірка локалізована на двох з чотирьох іонів кисню, що відповідають положенню більш довгих зв'язків з позитивним іоном Al3+.

На рис. 1 показані три можливих орієнтації в структурі кварцу тетраедрів та позначені шість структурно нееквівалентних положень іонів кисню, на яких може бути локалізована дірка. Як видно з рисунку, операція симетрії, що переводить диполі Al-O-, що належать одному з тетраедрів, один в одного - поворот навколо осі другого порядку на 180о. Операція симетрії, що пов'язує між собою тетраедри - це поворот на 120о и 240о. Такою ж операцією симетрії пов'язані три структурно нееквівалентних центри Ti3+/Li+, для яких також були побудовані кутові залежності.



Рис 1. Положення трьох базових тетраедрів в структурі -кварцу. Темними кружками показані іони кремнію, що заміщуються іонами алюмінію. Позначені цифрами іони кисню представляють шість структурно нееквівалентних положень парамагнітної дірки для Al-O--центрів.

Частина досліджень проводилася на порошкоподібних зразках кварцу. Тут, як і в монокристалічних зразках кварцу найбільш часто зустрічається спектр центрів Al-O-. Моделювання спектра без врахування анізотропії надтонкого розщеплення на ядрах 27Al, яка достатньо мала, дозволила ідентифікувати основні компонентиспектру. Як було показано на зразках різного ступеню дисперсності, а також на великій кількості зразків з різноманітних природних об'єктів, вигляд цього спектру достатньо чутливий до дефектності кристалічної структури і розміру зерна (див. рис. 2).



Рис. 2. Спектри ЭПР Al-O--центрів вихідного (а) та дрібнодисперсних (б, в, г) з розміром часток за рентгенівськими даними 200, 50, 10 нм відповідно.

Як видно з рисунку, найбільш чутлива до змін частина спектру з найбільшим відхиленням g-фактору від g-фактору вільного електрону, що пов'язано з найбільшим впливом спін-орбітальної взаємодії і, як слідство, більшою чутливістю до спотворень [AlO4] тетраедрів. Експериментально було показано, що у випадку, коли ці спотворення не пов'язані з роміром зерна, спектр спотворюється відмінним способом і може бути приведений до нормального вигляду за допомогою термічного відпалу при 1273 К на протязі 1 години, що вказує на бездифузійний характер процесу.

Іншим прикладом спотворення спектру порушеннями структури кварцу є вигляд спектру від фази SiO2 в складі циркону (ZrSiO4), що зазнав дії авторадиаційних процесів в результаті розпаду присутніх в ньому домішок урану і торію. При достатньо великих дозах (D > 6 · 1018 розп./г) циркон частково розпадається на фази ZrO2 та SiO2. При цьому спектр ЕПР аналогічний до спектру аморфного SiO2.

Одним з порушень структури кварцу є двійникування за дофінейським законом. При цьому відбувається поворот структурних елементів навколо осі третього порядку такий, що конкретна електрична вісь другого порядку змінює свій напрямок на протилежний.

Аналіз кутових залежностей центрів Al-O- і Ti3+/Li+ при дії подібного повороту на g-тензори для різних струкурно нееквівалентних положень повинно призвести до збільшення кількості ліній спектру даних центрів. На практиці такі особливості спектру надійно спостерігалися у випадку центру Ti3+/Li+ для деяких природних зразків кварцу, зовнішній вигляд та походження яких звичайно тісно пов'язані з двійникуванням за дофінейським законом.

В розділі 2 також описано основні характеристики експериментальних приладів, що були використані при проведенні експериментів, оригінальні методики підготовки зразків і проведення досліджень при різних температурах з прикладанням постійного та змінного електричних полів.

Розділ 3 називається "Вплив радіації і термічного відпалу на рух зарядів та процеси формування парамагнітних центрів".

Утворення парамагнітних центрів в кварці та їх рекомбінація тісно пов'язані з рухливістю іонів та атомів при дії на нього іонізуючого опромінення і температури. Оскільки виключна більшість цих центрів є радіаційними дефектами, їх радіаційна чутливість та радіаційна стійкість важливі як у звичайних радіоспектроскопічних дослідженнях, так і в прикладних роботах в галузі техніки, матеріалознавства, геології та екології.

В даній роботі використовувалися рентгенівське та гамма-випромінювання, які, в залежності від енергії кванту, викликають в структурі кварцу порушення за рахунок фотоефекту та ефекту Комптона. При цьому випромінюванням продукуються, в основному, електрони віддачі і дірки. В природних об'єктах не може бути опромінення одним видом випромінювання, тому в них доводиться стикатися також з вакансіями та міжвузловинними атомами, які можуть бути як самостійними парамагнітними центрами, так і предцентровими ситуаціями для інших центрів. Іншим учасником процесів утворення парамагнітних центрів в кварці є іони-компенсатори (іони лужних металів та протони), рухливість яких в умовах опромінення відіграє велику роль.

Утворення деяких діркових центрів, в тому числі центрів Al-O-, відбувається у дві стадії. Зпочатку утворюється дірка, потім шляхом дифузії відбувається відхід іона-компенсатора. У випадку алюмінієвих центрів їх роль відіграють іони H+, Li+, Na+. Навпаки, утворення електронних центрів супроводжується захопленням електрону, а потім компенсацією заряду тими самими іонами. Таким чином, рухливість іонів при опроміненні кварцу відіграє важливу роль в утворенні парамагнітних центрів.

Одночасно з утворенням центрів, в результаті радіаційно-стимульованої дифузії та генерації великої кількості заряджених частинок відбувається їх рекомбінація. Тому для кількісної оцінки концентрації дефектів, з якими пов'язані парамагнітні центри, важливе детальне знання цих процесів. Отримані під час досліджень дозні залежності для центрів Al-O- та Ti3+/Li+ суттєво відрізняються одна від одної.

При утворенні центрів Al-O- дірка захоплюється іоном кисню, сусіднім до іону алюмінію. Відбувається також процес міграції іонів-компенсаторів до більш глибоких пасток. Рекомбінація цих центрів може відбуватися двома способами. В першому випадку при захопленні лужного іону утворюється передцентрова ситуація, аналогічна вихідній. Інший шлях полягає в захопленні компенсатора протона. Зв'язок його з дефектним тетраедром, як відомо, набагато сильніший.

В загальному випадку кінетика цих процесів може бути описана системою диференційних рівнянь:

, (1)

, (2)

, (3)

(4)

де n, N і - концентрації Al-O- центрів, Al-O-/M+ та Al-O-/Н+ комплексів відповідно; g і - ймовірності утворення Al-O- центрів та їх рекомбінації з захопленням іонів лужних металів; b і - ймовірності захоплення алюмінієвим центром протона з утворенням комплексу Al-O-/Н+ та зворотнього процесу; А - загальна концентрація структурної домішки алюмінію в зразку.

Оскільки при термічному відпалі всі алюмінієві комплекси переходять в стан Al-O-/M+, є можливим, використовуючи відпал та доопромінення природних зразків, оцінити в них співвідношення всіх трьох різновидів комплексів. В результаті дослідження кривих відпалу було обрано режим нагріву до 1273 К на протязі 1 години. Дослідження дозної залежності показало, що опромінення на кобальтовому джерелі дозою 3,0*105 Гр дозволяє досягти рівноваги між утворенням Al-O- центрів, концентрація яких потім визначалася методом ЕПР, та їх перетворенням в комплекси Al-O-/Н+.

Було досліджено криву відпалу та дозну залежність для центрів Ti3+/Li+, поведінка яких подібна до поведінки інших електронних центрів, що мають у якості компенсатора іон лужного металу. Їх дозна залежність має максимум при 1,5*104 Гр, а при дозі 5*104 Гр відбувається їх повне радіаційне знищення.

На початковому етапі ці центри є пастками для іонів лужних металів, які в подальшому захоплюються більш глибокими пастками, зокрема дірковими центрами О23-/М+, які не виявляють ознак насичення до доз порядку 2*106 Гр. Термічний відпал повністю відновлює можливість утворення титанових центрів, що пов'язане з поверненням у вихідне положення іонів лужних металів.

З допомогою доопромінення зразків було показано, що при повільному зниженні температури зони кристалу з підвищеним вмістом алюмінію менше піддаються таким інверсійним порушенням, як розтріскування та двійникування за дофінейським законом. Ці зони, маючи температуру б- перетворення на декілька градусів нижче, при контакті з зонами, в яких перетворення відбулося, переходять в низькотемпературну фазу з меншою швидкістю.

Розділ 4 називається "Динаміка парамагнітних центрів в кварці при дії електричних полів".

Описані в даному розділі ефекти тісно пов'язані з динамічними властивостями центрів Al-O-. Раніше було показано, що механізм їх спін-граткової релаксації пов'язаний з тунелюванням спіну між двома позиціями дірки в межах одного тетраедру, при якому змінюється його проекція на напрямок магнітного поля. Останнє можливе тому, що через спін-орбітальну взаємодію напрямки осей квантування спіну в двох позиціях неоднакові.

Релаксація більшої частини центрів Al-O- зумовлена дифузією в напрямку швидкорелаксуючих центрів (ШРЦ), для котрих штарківський проміжок дорівнює зееманівському. Для цих центрів рівні енергії в різних ямах, що мають протилежну проекцію спіну на напрямок магнітного поля, вироджені. При дії постійного електричного поля відбувається зсув функції розподілу штарківських спотворень, що веде до зменшення кількості ШРЦ, яке викликає збільшення часу спін-граткової релаксації основної маси центрів.

Дія змінного електричного поля викликає протилежний ефект, найбільший в зразках з малою концентрацією центрів (менше 5·1016 см-3). В таких зразках дифузія до ШРЦ ускладнена. Зсув функції розподілу штарківських спотворень в даному випадку призводить до того, що в різні моменти часу різні центри відіграють роль ШРЦ.

В умовах насичення резонансних переходів між зееманівськими підрівнями НВЧ полем, зменшення Т1S веде до зняття насичення і, відповідно, до збільшення намагніченості полем Е. В результаті за температури 4,2 К можлива регістрація сигналів ЕПР при більших рівнях потужності НВЧ поля, що дозволяє збільшити інтенсивність сигналів на два порядки.

За таких температур вплив насичення відчували і інші досліджені нами Ge3+/Na+ та Е-центри. Однак для них основним механізмом релаксації є крос-релаксація в бік спінової системи Al-O- центрів. Так для Е-центрів була отримана залежність часу спін-граткової релаксації (СГР) від величини розстройки між лініями цих центрів та алюмінієвих центрів. Це пов'язане з впливом на величину інтегралу перекриття, що визначає ймовірність крос-релаксації (КР).

При прикладанні до зразка змінного електричного поля виявлено збільшення інтенсивності ліній як центру Al-O-, так і Е-центру. Прикладання постійного електричного поля не здійснює ніякого впливу на сигнали від Е-центрів. Таким чином їх взаємодія з електричним полем відбувається через спінову систему центрів Al-O- і тільки в тому випадку, коли змінюється спінова температура цієї системи, тобто при створенні умов для проявлення крос-релаксації. Була отримана також залежність часу реакції спінової системи Е-центрів від величини розстройки, який фактично є часом крос-релаксації. При повертанні за вісь L3 кристалу лінії Е-центру виходять з під інтенсивних ліній Al-O- центрів. По мірі віддалення їх час релаксації 1 зростає. Залежність відношення часів релаксації 1 (Е)/ 1 (Al-O-) від величини розстройки показана на рис. 3.

Іншою повільнорелаксуючою системою в кварці є центри Ge3+/Na+. Для дослідження їх динамічних характеристик був використаний зразок синтетичного кварцу з різною заселенністю [AlO4] тетраедрів вздовж трьох осей другого порядку, співвідношення яких складало 10:1:0,25. Змінне електричне поле прикладалося до нього вздовж електричної осі найменш населеного тетраедру, при обертанні зразка за електричну вісь, що проходить через тетраедри середньої населеності. Така схема експерименту дозволяла мінімізувати ефект взаємного впливу спінових систем структурно не еквівалентних алюмінієвих центрів через крос-релаксацію.

Рис 3. Залежність ефективного часу спін-граткової релаксації Е-центрів від величини розстройки. Суцільна лінія - розрахунок, крапки - експеримент.

На рис. 4 представлено залежності збільшення змінним електричним полем інтенсивностей сигналів германієвих та алюмінієвих центрів від різниці резонансних полів між ними при різній напруженості електричного поля. На рис. 5 показано залежність зміни часу СГР Ge3+/Na+ центрів від величини розстройки.

Рис. 4. Залежності збільшення змінним електричним полем інтенсивності сигналів ЕПР Al-O- (крива 1) та Ge3+/Na+ центрів (криві 2, 3, 4) при відстанях між лініями від цих центрів 0.85, 1.51 та 2.67 mT відповідно.



Для часу СГР германієвих центрів можна записати:

де Ws, Wds - ймовірності релаксаційних переходів, що зумовлюють зв'язок Ge3+/Na+ та Al-O- центрів з граткою. Ймовірність кросрелаксації між цими центрами можна подати у вигляді:

де А - амплітудне значення ймовірності крос-релаксації; Н - ширина функції форми ймовірності крос-релаксації.

Виходячи з (5) і (6) вдається пояснити експериментальну залежність, наведену на рис. 5, поклавши при цьому А1.10-1 с-1, Ws1·10-2 с-1, Wds5 с-1, Н1,55 mT. Прийняте тут значення величини Wds відповідає часу релаксації Al-O- центрів, що визначений незалежними методами.

Рис. 5. Залежність часу спін-граткової релаксації Ge3+/Na+ центрів від різниці резонансних полів Al-O- та Ge3+/Na+ центрів.

На рис. 6 наведена схема взаємодій між різними підсистемами в системі парамагнітних центрів Ge3+/Na+ та Al-O-. З Al-O- центрами пов'язані як електричні диполі d, так и магнітні диполі S1. Магнітні диполі S2 відповідають германієвим центрам. Поле Е знімає орієнтаційне виродження диполів d. При цьому штарківське розщеплення дорівнює 2Е=(d1-d2)Е, де d1 та d2 відповідають локалізації дірки в двох різних позиціях одного тетраедра.

Для пояснення явища охолодження даної спінової системи нижче температури гратки запропоновано модель спінового холодильника, яка також описана в даному розділі. Для простоти припускається, що змінне електричне поле, що прикладається до зразка, має форму меандру. Показано, що в одні напівперіоди диполі встигають, а в інші не встигають прийти в стан теплової рівноваги з граткою, в результаті чого дипольна система періодично виявляється охолодженою нижче температури гратки.

Так як саме в ці напівперіоди ймовірність сумісних реорієнтацій магнітних і електричних диполів Wds велика, це призводить до охолдження цикл за циклом спінової системи. Охолодження ж спінової системи S2 германієвих центрів відбувається шляхом дифузії в напрямку центрів Al-O-. При цьому швидкість СГР германієвих центрів пропорційна ймовірності крос-релаксаційних переходів, що залежить від величини розстройки.

Рис. 6. Схема взаємодій між різними підсистемами парамагнітних центрів в кварці.

Розділ 5 називається "Зв'язок електропольових ефектів з дефектністю та анізотропією кристалів кварцу".

В даному розділі описано результати визначення внутрішніх, хаотично орієнтованих електричних полів в кварцевих резонаторах різної якості. Як ЕПР індикатори таких полів використовувались центри Al-O-.

В кварці завжди присутні внутрішні хаотично орієнтовані поля Ei, що викликані різними дефектами структури. Ці поля призводять до зняття орієнтаційного виродження диполів >d1 та >d2, при цьому штарківський проміжок для i-того тетраедру [AlO4], на який діє поле Ei, дорівнюватиме 2i = (>d1 _ >d2) >Ei. Функцію роподілу цих спотворень можна апроксимувати виразом:

. (7)

Ширина цієї функції Д0 є мірою інтегральної дефектності кристалу.

За відсутності зовнішнього електричного поля Е інтенсивність сигналів ЕПР від дірок, що локалізовані в позиціях 1 та 2 (які позначимо V1 та V2 відповідно) буде однаковою. Зовнішнє поле Е призводить до додаткового штарківського розщеплення 2Е = (>d1 _ >d2) >E, яке однакове для всіх [AlO4] тетраедрів. При цьому кількість дірок, що локалізовані в позиціях 1 та 2 у відповідності до статистики Больцмана, буде не однаковою, що призведе до V1 ? V2. Для V1 та V2 можна записати:

(8)

де Ki = Дi/kT, K1 = ДE/kT, K2 = gвH/2kT (тут gвH - зееманівська енергія), індекси (±) в (8) відповідають V1 та V2 відповідно.

Як легко можна побачити з виразу (8), зміна інтенсивності сигналів ЕПР V1 та V2 при фіксованому Е суттєво залежить від 0, тобто від інтегральної дефектності кристалу. Якщо на зразок діяти змінним електричним полем, то відбувається загальне збільшення сигналів ЕПР V1 та V2 завдяки релаксаційному магнітоелектричному ефекту. При цьому зміна інтенсивностей сигналів ЕПР також залежить від дефектності кристалу.

Нами досліджені пластинки кварцу, що використовуються в промисловості для виробництва кварцевих резонаторів. Добротність кварцевих резонаторів суттєво залежить від ступеню досконалості кристалічної структури вихідного матеріалу. Існують різні способи визначення ступеню досконалості кварцу, що використовується для виготовлення резонаторів та встановлення зв'язку різних порушень структури з якістю кварцевих резонаторів. За ознакою добротності досліджені зразки представляли весь діапазон матеріалів, що використовуються для виробництва кварцевих резонаторів.

Вимірювання проведено при Т=4,2 К. При цьому реєструвалися зміни інтенсивності сигналів ЕПР Al-O- центрів, що викликані зовнішнім електричним полем, яке прикладалося до зразка в процесі реєстрації сигналів ЕПР. Електричне поле прикладалося або вздовж осі третього порядку кристалу E¦L3, або вздовж осі другого порядку E¦L2.

На рис. 7 наведено залежність V1 та V2 від поля Е для деяких з досліджених зразків. На рисунку наведено криві тільки для зразків 1,3, та 5, що відповідає орієнтації зовнішнього електричного поля E¦L3. Верхня та нижня гілки кривих для кожного зразка (наприклад, 1 та 1') відповідають збільшенню та зменшенню сигналів ЕПР від центрів, що знаходяться в магнітно еквівалентних положеннях, які, однак, не еквівалентні по відношенню до прикладеного зовнішнього електричного поля. Аналогічні пари кривих були нами отримані для зразків за орієнтації зовнішнього поля E¦L2.

Із експериментів з залежності сигналів ЕПР від зовнішніх електричних полів, покладаючи 20 = (>d1 _ >d2) >Eср, знаходимо середнє електричне поле Еср, що спричинене дефектами гратки. Середнє поле Еср в кварцевих резонаторах зменшується по мірі збільшення добротності. За орієнтації зовнішнього поля вздовж електричної осі другого порядку (E¦L2) ефект дещо менший. Різниця помітна для всіх зразків, незалежно від якості. Можливо, це пов'язане з впливом п'єзоефекту в даному напрямку.

Виключно низька концентрація центрів в зразках кварцевих резонаторів накладає додатковий відбиток на електропольові ефекти. Зсув функції (7) постійним електричним полем призводить до зменшення концентрації швидко релаксуючих центрів. В результаті хід кривих змінення інтенсивності сигналів ЕПР Al-O- центрів цим полем стає асиметричним порівняно з рис. 7. На рис. 8 показано результати впливу постійного електричного поля Е на зразок за різних рівней потужності НВЧ поля.

Рис. 7. Залежність збільшення (1, 3, 5) та зменшення (1', 3', 5') сигналів ЕПР постійним електричним полем для зразків 1, 3, 5 (E¦L3).



Рис. 8. Вплив постійного електричного поля Е на зразок за різних рівней потужності НВЧ. Криві (1, 1'), (2, 2') та (3, 3') відповідають рівням послаблення потужності 60, 50 та 40 dB. Криві 1, 2, 3 відносяться до сигналів, що зростають за відсутності насичення, а 1', 2', 3' - що падають.

Низька концентрація центрів призводить також до аномально великого впливу змінного електричного поля на сигнали ЕПР. В даному випадку зсув функції (7) призводить до того, що в кожний момент часу різні центри відіграють роль ШРЦ. Таким чином їх концентрація збільшується. Як видно з рис. 9, ефект тим більший, чим більша мікрохвильова потужність.

Дія змінного електричного поля призводить до зсуву максимуму кривої насичення алюмінієвих центрів в бік більших потужностей мікрохвильового поля. Відбувається денасичення сигналів ЕПР, що також знайшло відображення в експериментах з одночасної дії на зразок постійного та змінного полів. Також було показано, що ефективність денасичення сигналів змінним полем залежить від частоти.



Рис. 9. Збільшення сигналів ЕПР Al-O- центрів змінним електричним полем за різної потужності мікрохвильового поля. Криві 1, 2, 3, 4 та 5 відповідають рівням послаблення потужності 30, 40, 50, 60 та 65 дБ. Поле прикладали вздовж осі третього порядку L3.

Вивчення електропольового ефекту на алюмінієвих центрах кристалів синтетичного кварцу, що були вирощені на затравках, паралельних площині малого ромбоедра, дозволило встановити відповідність між конфігураціями базисних тетраедрів в проекції на грань r та відносними коефіцієнтами розподілу домішки Al в цих позиціях К1:К2:К3. Така різниця заселеностей породжується дисиметризацією кристалів на домішковому рівні через орієнтаційну нееквівалентність трьох структурних базисних тетраедрів по відношенню до поверхні росту.

За дії постійного електричного поля вздовж електричної осі другого порядку воно не впливає на лінії ЕПР, що пов'язані з домішкою алюмінію в тетраедрах, що розташовані на цієї осі. Саме цей факт дозволив однозначно зв'язати концентрації домішки алюмінію в різних структурних позиціях з орієнтацією тетраедрів в цих позиціях відносно поверхні росту.



ВИСНОВКИ

В дисертації визначено вплив іонізуючого опромінення, термічного відпалу та електричних полів на парамагнітні домішки в кварці. Пояснено природу низки фізичних явищ, що при цьому відбуваються. Показано, що за допомогою комплексу зовнішніх дій може бути отримана інформація, що складає інтерес для деяких галузей техніки, а також мінералогії та пошукової геології. Було отримано та сформульовано основні результати, які полягають в наступному:

1. Виявлено, що спін-граткова релаксація центрів Е та Ge3+/Na+ зумовлена крос-поляризацією між ними та центром Al-O-.

2. На основі орієнтаційної залежності показано, що явище крос-поляризації між центрами Е, Ge3+/Na+ та Al-O- контролюється різницею резонансних частот для відповідних центрів.

3. Визначені динамічні параметри явища крос-поляризації центрів Е, Ge3+/Na+ та Al-O- з змінним електричним полем та без нього.

4. Запропоновано модель спінового холодильника для описання процесів взаємодії центрів Е, Ge3+/Na+ та Al-O-.

5. На основі впливу загальної дефектності кристалів кварцу на величину електропольових ефектів в них, запропоновано методику розбраковки кварцевих резонаторів за ступенем дефектності.

6. Запропоновано використання орієнтаційно залежних електропольових ефектів в кварці для визначення орієнтації дефектних тетраедрів з різною населеністю в плеохроічних зразках.

7. На зразках кварцу з низьким вмістом Al-O- центрів проведено дослідження впливу постійного та змінного електричних полів в умовах насичення сигналів ЕПР. Прикладання постійного електричного поля призводить до збільшення часу спін-граткової релаксації. Змінне електричне поле призводить до зняття насичення, що викликає суттєве збільшення сигналу.

8. На основі радіаційної та термічної обробки зразків кварцу розроблено методику визначення концентрації Al-O-H предцентрових ситуацій, що пов'язані з умовами утворення природних та синтетичних зразків.

9. З допомогою доопромінення зразків кварцу насичуючою дозою було показано, що зони кристалу з підвищеним вмістом ізоморфної домішки алюмінію менше піддаються інверсійним порушенням при фазовому перетворенні в умовах повільного охолодження системи.

10. На основі дослідження радіаційних та термічних характеристик парамагнітних центрів в кварці запропоновано декілька методик, що дозволяють за допомогою радіаційної та термічної обробки зразків кварцу вирішувати прикладні геологічні і мінералогічні задачі.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Брик А.Б. О спиновом холодильнике для парамагнитных примесей с использованием электрических полей / А.Б. Брик, И.В. Матяш, В.К. Безобчук, А.Л. Лариков // Письма в ЖЭТФ. - 1989. - Т. 50, вып. 5. С. 247 - 249.

2. Брик А.Б. О стационарном охлаждении парамагнитных центров Ge3+ в кварце с помощью электрических полей / А.Б. Брик, А.Л. Лариков, И.В. Матяш // ФТТ. - 1990. - Т. 32, № 5. С. 1293 - 1296.

3. Брик А.Б. Эффект увеличения скорости спин-решеточной релаксации туннелирующих [AlO4]o-центров в кварце электрическим полем / А.Б. Брик, А.Л. Лариков, И.В. Матяш // Письма в ЖЭТФ. - 1993. - Т. 57, вып. 3. С. 179 - 182.

4. Лариков А.Л. О новом подходе к восстановлению условий образования кварца по данным ЭПР / А.Л. Лариков, А.А. Шумский, А.Б. Брик, И.В. Матяш // Геохимия. - 1991. - № 10. - С. 1510 - 1513.

5. Матяш И.В. ЭПР радикала СН3 в кварце ртутных месторождений Закарпатья / И.В. Матяш, А.Б. Брик, С.А. Галий, Б.В. Зациха, Л.С. Дерский, А.Л. Лариков // Геохимия. - 1983. - № 6. С. 916 - 919.

6. Лариков А.Л. Электрополевые эффекты в кварце и их возможные применения / А.Л. Лариков // Минералогический журнал. - 2002. - № 1. С. 96 - 98.

7. Матяш И.В. Особенности ЭПР-характеристик кварца золоторудной минерализации железисто-кремнистых пород юга Украины / И.В. Матяш, А.Б. Брик, А.Л. Лариков, Л.С. Дерский, Г.Л. Кравченко, М.Я. Гамарник, Д.И. Швец // Докл. АН УССР. Сер. Б. Геол., хим. и биол. науки. - 1989. - №11. С. 21 - 24

8. Возняк Д.К. Об образовании сотового кварца по данным ЭПР / Д.К. Возняк, И.В. Матяш, А.Б. Брик, А.Л. Лариков, В.В. Мазыкин // Геохимия. - 1984. - № 4. С. 534 - 540.

9. Матяш И.В. Характеристики авторадиационных дефектов в цирконе по ЭПР порошкообразных образцов / И.В. Матяш, А.Б. Брик, Л.С. Дерский, А.Л. Лариков, А.Н. Пономаренко, Д.Н. Щербак // Докл. АН УССР. Сер. Б. Геол., хим. и биол. науки. - 1990. - № 3. С. 8 - 10.

10. Пономаренко А.Н. Физические модели, методы исследования и свойства метамиктных цирконов / А.Н. Пономаренко, А.Б. Брик, А.Е. Гречановский, А.Л. Лариков, А.М. Калиниченко // Минералогический журнал. - 2009. - Т. 31, № 2. С. 20 - 38.

11. Безобчук В.К. О процессах установления теплового равновесия в системе двух типов парамагнитных центров / В.К. Безобчук, А.Б. Брик, А.Л. Лариков // Збірка статей "Оптическая спектроскопия и электронный парамагнитный резонанс примесей и дефектов в алмазе". Киев. - 1986. С. 65 - 68.

12. Дерский Л.С. Изучение физических свойств радикала СН3 в кварце методом ЭПР / Л.С. Дерский, А.Л. Лариков // Физические методы исследования в прикладной и генетической минералогии. - Киев: ИГФМ АН УССР. 1985. - С. 14 - 17

13. Брик А.Б. Определение дефектности кристаллов кварца из электрополевых эффектов в ЭПР / А.Б. Брик, И.В. Матяш, А.Л. Лариков, В.К. Безобчук // Тез. докл. Всес. конф. “Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве”. - Частина II. - Казань. - 1988. - С. 102.

14. Лариков А.Л. Влияние распределения примесей в кварце на кинетику фазового превращения в нем / А.Л. Лариков // Збірка статей "Радиоспектроскопия кристаллов с фазовыми переходами". Киев. - 1989. С. 35 - 37.

15. Лариков А.Л. Востановление условий образования кварца с помощью радиоспектроскопических функционалов / А.Л. Лариков, А.А. Шумский, А.Б. Брик, И.В. Матяш // Тез. докл. наради “Минералогия кварца”. - Сыктывкар. - 1992. - С. 22 - 23.

16. Larikov A.L. The accumulation kinetics of [AlO4]0 centers in quartz / A.L. Larikov // Abstr. 16th General Meeting IMA. - Pisa (Italy). - 1994. - P.233

17. Brik A.B. New magnetoelectric effect on the tunneling paramagnetic centers in crystals and its applications / A.B. Brik, A.L. Larikov, N.B. Sadyev // Abstr. XXVI Congress AMPERE in Magnetic Resonance. - Athens (Greece). - 1992. - P. 494 - 495.



АНОТАЦІЯ

Ларіков А.Л. Вплив електричних полів, радіації і температури на характеристики парамагнітних домішок в кварці. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена визначенню таких зовнішніх дій як іонізуюче опромінення, відпал, змінне та постійне електричні поля на парамагнітні домішки в кварці, пов'язані з присутністю іонів різних металів. Більшість парамагнітних центрів в кварці є радіаційними дефектами.

На основі отриманих дозних і температурних залежностей запропоновано та випробувано ряд методик, що дозволяють отримувати прикладні результати, які мають самостійне значення. Крім того, за допомогою радіаційної та термічної обробки були отримані зразки з потрібними концентраціями парамагнітних центрів, які були використані при дослідженнях їх релаксаційних і електропольових властивостей.

В системі декількох парамагнітних центрів було показано, що із зменшенням різниці резонансних частот між центрами Е, Ge3+/Na+ та центрами Al-O- час спін-граткової релаксації перших монотонно зменшується, наближаючись до часу релаксації Al-O- центрів. При охолодженні спінової системи алюмінієвих центрів змінним електричним полем це охолодження передавалося системам повільно релаксуючих центрів через крос-поляризацію. Для описання процесів взаємодії в подібних системах було запропоновано модель спінового холодильника.

Для зразків кварцевих резонаторів різного ступеню дефектності було визначено ширину функції розподілу внутрішніх, хаотично орієнтованих електричних полів, обумовлених дефектами структури. Для резонаторів з низькою концентрацією домішок було визначено особливості електропольових ефектів за умов насичення сигналів НВЧ полем. Також, за допомогою електропольових ефектів, вдалося визначити орієнтацію дефектних тетраедрів у просторі для плеохроїчних зразків кварцу.

Ключові слова: кварц, радіаційні дефекти, парамагнітні домішки, відпал, спін-граткова релаксація, крос-поляризація, електропольові ефекти.



АННОТАЦИЯ

Лариков А.Л. Влияние электрических полей, радиации и температуры на характеристики парамагнитных примесей в кварце. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена определению влияния таких внешних воздействий как ионизирующее излучение, отжиг, переменное и постоянное электрические поля на парамагнитные примеси в кварце, связанные с присутствием ионов различных металлов.

Полученные дозные зависимости наиболее характерных парамагнитных центров в кварце позволили подобрать для них режимы облучения, выявляющие количество предцентров в них. Анализ концентраций Al-O- центров в облученных оптимальной дозой отожженном и исходном образцах, а также в необлученном исходном образце позволяют извлечь максимум информации об условиях образования и последующей истории природных образцов.

С помощью дооблучения образцов насыщающей дозой было исследовано распределение примеси алюминия в природных кристаллах, претерпевших при остывании фазовое превращение. Было показано, что при медленном снижении температуры зоны кристалла с повышенным содержанием алюминия менее подвержены таким инверсионным нарушениям, как растрескивание и двойникование по дофинейскому закону.

Для образцов с различной концентрацией Al-O- центров было отмечено, что при малых концентрациях переменное электрическое поле сильнее влияет на увеличение сигнала. На основании анализа модели, поясняющей механизм спин-решеточной релаксации, было показано что при наложении переменного электрического поля в различные моменты времени различные центры играют роль быстро релаксирующих. При этом время релаксации становится функцией приложенного внешнего поля. В простейшем приближении увеличение интенсивностей сигналов может быть описано как отношение скоростей спин-решеточной релаксации при наличии и в отсутствии внешнего переменного поля.

Было показано, что по мере уменьшения разности резонансных частот между центрами Е, Ge3+/Na+ и центрами Al-O- время спин-решеточной релаксации первых монотонно уменьшается, приближаясь к времени релаксации для Al-O- центров. При охлаждении спиновой системы алюминиевых центров переменным электрическим полем это охлаждение передавалось спиновым системам медленно релаксирующих центров посредством кросс-поляризации. При этом вероятность кросс-релаксации является функцией разности резонансных полей (или частот) линий взаимодействующих центров. Для описания процессов взаимодействия в подобных системах парамагнитных центров была предложена модель спинового холодильника.

Для образцов кварцевых резонаторов различной степени дефектности по величине электрополевого эффекта был определен параметр Еср, который определяет ширину функции распределения внутренних, хаотически ориентированных электрических полей. Эти внутренние поля являются следствием присутствия в структуре кварца различных микродефектов, влияющих на внутреннее трение в резонаторах. Вместе с тем вклад во внутреннее трение могут давать также различные макродефекты.

Низкие концентрации Al-O- центров в кварцевых резонаторах вызывают ряд особенностей электрополевых эффектов, связанных с насыщением сигналов при относительно малых мощностях СВЧ поля. Эффект тем больше, чем выше уровень микроволновой мощности. Это объясняется сдвигом функции распределения искажений двухямного потенциала внутренними хаотическими полями внешним электрическим полем.

Под действием переменного электрического поля на образцы с малой концентрацией Al-O- центров происходит их денасыщение. Это проявляется в сдвиге максимума кривой насыщения в сторону больших мощностей микроволнового поля и росте сигналов почти на два порядка. В первом приближении это может быть объяснено расширением областей, содержащих быстро релаксирующие центры. В случае совместного действия постоянного и переменного поля основное действие переменного поля также проявляется в денасыщении, в то время как постоянное поле усиливает насыщение.

При воздействии постоянным электрическим полем на образцы с аномальной плеохроичной дымчатой окраской удалось установить ориентацию различных тетраэдров, принадлежащих одной элементарной ячейке, по отношению к направлению роста кристалла и отношение концентраций примеси алюминия, связанной с каждым из тетраэдров. Ориентация тетраэдра, захватившего минимальное количество примеси, очень близка к ориентации тетраэдров при росте кристалла вдоль оси третьего порядка. Такая ориентация тетраэдра по отношению к грани роста наименее способствует захвату примеси алюминия.

Ключевые слова: кварц, радиационные дефекты, парамагнитные примеси, отжиг, спин-решеточная релаксация, кросс-поляризация, электрополевые эффекты.



ABSTRACT

Larikov A.L. Influence of electric fields, radiation and temperature on the characteristics of paramagnetic impurities in quartz. - Manuscript.

Thesis for candidate degree in Physics and Mathematics in the speciality 01.04.07 - Solid State Physics. - G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2009.

The thesis is devoted to determining the influence of external factors such as ionizing radiation, annealing, constant and alternating electric fields on the paramagnetic impurities in quartz, associated with the presence of ions of different metals.

Based on the dose dependence and the curves of annealing of paramagnetic centers in quartz were selected modes of irradiation and annealing to obtain the required concentrations and their ratios. Modes of radiation and thermal processing of samples proposed to extract new information on the conditions of genesis of natural samples.

For samples with different concentrations of Al-O- centers, it was noted that alternating electric field strongly affects the increase of the signal at low concentrations. Based on the analysis of a model explaining the mechanism of spin-lattice relaxation, it was shown that under an alternating electric field at different times different centers play the role of rapidly relaxing. In this case the relaxation time becomes a function of the applied external field.

It was shown that spin-lattice relaxation time of E, Ge3+/Na+ centers decreases monotonically, approaching the relaxation time for the Al-O- centers, when the difference between the resonance frequencies decreases. The probability of cross-polarization is a function of the difference of the resonance fields (or frequencies) of lines of interacting centers. To describe the interaction in such systems of paramagnetic centers proposed a model of the spin refrigerator.

For samples of quartz resonators with varying degrees of defects by value of electric-field effect was determined parameter, which determines the width of the distribution function of internal, randomly oriented electric fields.

Low concentrations of Al-O- centers in quartz resonators causes a number of features of electric-field effects, related to the saturation of signals at relatively low power microwave field. Constant electric field causes a shift of the distribution function of internal random fields. An alternating electric field on samples with low concentration of Al-O-centers decreases their saturation. This is manifested in the growth of signals of almost two orders of magnitude. In the first approximation this can be explained by the expansion of regions, containing rapidly relaxing centers.

...