РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА,
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Введение
Явление ЭПР, открытое Е.К. Завойским, заключается в резонансном поглощении квантов радиочастотного электромагнитного поля при переходах между уровнями энергии неспаренных электронов (или систем неспаренных электронов), во внешнем магнитном поле. Довольно быстро это явление стало основой одного из наиболее мощных направлений радиоспектроскопии - метода ЭПР. Несмотря на то, что применение метода ЭПР ограничено центрами, имеющими собственный магнитный момент, его роль в получении информации о веществах и протекающих в них биологических, химических и физических процессах трудно переоценить. Но особенно важное значение он приобрел для изучения свойств кристаллов полупроводников и диэлектриков, где в сочетании с оптической спектроскопией, рентгеноструктурным анализом и другими "традиционными" методами исследований были достигнуты наиболее значительные успехи. Возможность наблюдения ЭПР в диамагнитных кристаллах связана с тем, что в них, практически всегда, присутствуют собственные или примесные дефекты, обладающие парамагнитными свойствами. Если их нет изначально, то их создают искусственно, тем более, что для этого имеются богатые возможности. Искусственное введение парамагнитных центров часто является даже более предпочтительным, так как позволяет осуществлять их целенаправленный выбор, наиболее оптимальный для решения различных конкретных задач. Чаще всего, в качестве парамагнитных примесей в кристаллах используются элементы переходных групп таблицы Д.И. Менделеева, так как их атомы в процессе кристаллообразования сохраняют свои внутренние электронные оболочки недостроенными.
Теоретические основы метода ЭПР и его прикладные возможности прекрасно изложены в [162 - 167] и других источниках. Различными группами ученых постоянно ведутся теоретические и экспериментальные исследования, которые расширяют сферу приложения метода ЭПР для выяснения природы все более тонких эффектов в различных областях физики твердого тела. Задачи, решаемые методом ЭПР в физике твердого тела настолько многообразны, что для каждого конкретного направления исследований требуются совершенно различные специфические подходы. Это привело к разработкам многочисленных теоретических моделей, специальных методов обработки результатов и алгоритмов их использования для определения искомых параметров. А в арсенал экспериментальных средств, кроме основного инструмента исследований - радиоспектрометра ЭПР, может входить большое количество разнообразного дополнительного оборудования. В основном, это приспособления для воздействия на образцы высокими и низкими температурами, электрическими поля, различного рода облучениями, для создания одноосного и гидростатического давления, и др. [168].
В данной главе приведены сведения об исследуемых кристаллах, характеристики аппаратуры и описание методик, которые использовались при выполнении экспериментов в настоящей работе.
2.1. Образцы для исследований
В работе исследовались монокристаллы сульфида и селенида цинка, полученные в ростовых лабораториях Днепропетровского национального университета, Института монокристаллов НАН Украины (г. Харьков) и Института физики твердого тела РАН (Черноголовка). Кристаллы выращивались методом Бриджмена из расплава под давлением аргона 150 атм. Подробно данная методика описана в [36, 41, 45, 55].
Для проведения исследований с помощью метода ЭПР кристаллы должны быть активированы спектроскопически активными центрами. Очевидно, что вид активных центров и их количество определяются требованиями, вытекающими из цели эксперимента. Для решения задач стоящих перед данной работой в качестве парамагнитных центров были выбраны ионы элементов переходной группы - марганец, хром и железо, вводимые в кристаллы по отдельности или в нужных комбинациях. Примеси, содержащие эти элементы, добавлялись в необходимом количестве в состав шихты для расплава, то есть легирование кристаллов производилось в процессе их роста.
Примесные ионы двухвалентного марганца являются очень удобным парамагнитным зондом для изучения структурных особенностей кристаллов ZnS и их изменений в результате различных внешних воздействий. Это связано с тем, что ионы марганца не вносят в решетку существенных нарушений и, практически, с одинаковой вероятностью размещаются во всех структурно-неэквивалентных позициях [67]. Кроме этого, спектры ЭПР этих ионов уверенно регистрируются при комнатной температуре, очень хорошо изучены и легко узнаваемы.
Примесные ионы хрома и железа известны в кристаллах ZnS как фоточувствительные парамагнитные центры. Такое название они получили из-за того, что их спектры ЭПР наблюдаются только после изменения зарядового состояния, происходящего в результате соответствующего фотовозбуждения. Как оказалось, ионы хрома и железа могут изменять зарядовое состояние также и при действии на них электрических полей [129, 169]. Этот факт позволил использовать их в качестве парамагнитных зондов для изучения процессов, происходящих в исследуемых кристаллах вблизи электрически заряженных дислокаций.
Для получения образцов с необходимой ориентацией граней, крупные монокристаллы вначале ориентировались на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2,0, а затем алмазной пилой вырезались образцы в виде прямоугольных параллелепипедов размерами ? 2х2х4 мм 3.
Рис. 2.1. Схема, иллюстрирующая ориентацию образца ZnS при пластической деформации.
Ориентация кристаллографических осей относительно граней образцов определялась характером экспериментов. Как известно [170], для кристаллов ZnS и ZnSe со структурой сфалерита система скольжения ({111} ?110?). Особенностью исследуемых кристаллов ZnS является то, что скольжение в них может происходить только в одной плоскости (111), выделенной двойникованием. В гексагональных индексах она обозначается как (0001). В образцах, предназначенных для исследований ЭПР в области упругой деформации, высота кристаллов,