способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза

Классы МПК:C01B31/06 алмаз 
B82Y35/00 Способы или устройства для измерения или анализа нано-структур
Автор(ы):, , , , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.И. Иоффе Российской академии наук (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-07-31
публикация патента:

Изобретение может быть использовано в области разработки материалов на основе алмаза для магнитометрии, квантовой оптики и биомедицины. Способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза включает помещение композита алмаза в резонатор спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), измерение спектров ЭПР азотно-вакансионного NV-дефекта в композите алмаза при разных ориентациях композита алмаза относительного внешнего магнитного поля, сравнение полученных зависимостей линий ЭПР с рассчитанными положениями линий ЭПР NV-дефекта в монокристалле алмаза в магнитном поле, определяемыми расчетным путем. Затем по увеличению ширины линии ЭПР в композите алмаза по сравнению с шириной линии ЭПР в монокристалле алмаза определяют угол разориентированности кристаллитов алмаза. Изобретение обеспечивает более высокую точность измерений. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Рисунки к патенту РФ 2522596

способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596

Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано в области разработки материалов на основе алмаза для магнитометрии, квантовой оптики, биомедицины, а также в информационных технологиях, основанных на квантовых свойствах спинов и одиночных фотонов.

Различные физические воздействия на поликристаллические системы могут привести к формированию композитных материалов (композитов), при этом микроструктура состоит из кристаллических зерен, которые характеризуются не случайной, а некоторой преимущественной ориентацией (см. Н.J.Bunge, Texture Analysis in Materials Science: Mathematical Methods, translated by P.R.Morris (Butterworths, London, 1982). Такие системы, характеризующиеся наличием преимущественной ориентации, часто обозначают в литературе как «текстуры» (texture). Электронные свойства полупроводниковых поликристаллических материалов существенно зависят от структурного качества этих материалов. Таким образом, исследования совершенства (или несовершенства) текстуры материала имеют важное практическое значение. Эффекты текстурирования материалов традиционно измеряются оптическими и дифракционными методами. Дифракционные методы основаны на использовании дифракции рентгеновского излучения, нейтронов, электронов, используется также зондовая микроскопия.

Применение способа определения угла разориентированности микро- и нанокристаллов в композите, основанное на технике электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) (см. L.A.Boatner, J.L.Boldu, and M.Abraham, Journal of the American Ceramic Society (J. Am. Ceram. Soc.) 73, 2333 (1990); G.Hendorfer, W.Jantsch, W.Helzel, J.H.Li, Z.Wilamowski, T.Widmer, D.Schikora, and K.Lischka, Mater. Sci. Forum 196-201, 561 (1995); T.A.Kennedy, E.R.Glaser, P.B.Klein, and R.N.Bhargava, Symmetry and electronic structure of the Mn impurity in ZnS nanocrystals, Phys. Rev. В 52, 14356 (1995)), оказалось чрезвычайно эффективной методикой, поскольку ЭПР чувствителен к симметрии микроскопической локальной структуры вблизи парамагнитного центра. Способ, основанный на методе ЭПР, обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными рентгеновскими методами анализа текстуры. В частности, при использовании техники ЭПР степень ориентированности системы регистрируют во всем объеме, тогда как рентгеновский анализ позволяет получить информацию об угле разориентированности материала только в приповерхностном слое в несколько микрон. Метод ЭПР является полностью неразрушающим и не зависит от формы и размера образцов. В настоящем изобретении в качестве объекта исследования рассмотрен композит алмаза, но метод ЭПР применим и для других материалов.

Алмазные структуры являются перспективным материалом для применений в различных электронных приборах. Однако успешное применение этих материалов требует оптимизации их структурных и электронных свойств. Оптическая техника для определения текстуры поликристаллического алмаза может быть легко применена, но с получением только полуколичественных результатов. Эта техника чувствительна только к поверхности и не пригодна для образцов произвольной формы, тем более для композитов в виде спеченных при высоком давлении и высокой температуре микро- и наноалмазов.

Известен способ определения угла разориентированности поликристаллических материалов путем регистрации спектров ЭПР переходных элементов, специально введенных в материалы, в которых исследуют эффекты текстурирования (см. L.A.Boatner, J.L.Boldu, and M.Abraham, J.Am. Ceram. Soc. 73, 2333, 1990). В известном способе в поликристаллический материал вводят ионы переходных элементов, например Mn, Cr, Fe, спектры ЭПР которых, благодаря наличию тонкой структуры, приводящей к анизотропии спектров ЭПР, дают информацию об угле разориентированности материала. Затем регистрируют спектры ЭПР этих ионов, которые сравнивают со спектрами ЭПР, рассчитанными исходя из спинового гамильтониана для соответствующего монокристаллического материала (то есть, для полностью ориентированной системы). Далее определяют увеличение ширины линии ЭПР в поликристаллическом материале по сравнению с шириной линии ЭПР в монокристаллическом материале, и по величине увеличения ширины линии ЭПР рассчитывают угол разориентированности материала.

Недостатком известного способа является необходимость введения дополнительных примесей определенных переходных элементов, имеющих резко-анизотропные спектры ЭПР, что практически невозможно осуществить в исследуемом материале на основе алмазов.

Известен способ определения положения примеси в нанокристалле, представляющем собой структуру в виде кристаллической полупроводниковой основы - «соrе» и кристаллической полупроводниковой оболочки - «shell» (например, CdS/ZnSe core/shell nanocrystal) с помощью регистрации спектра ЭПР ионов марганца Мn2+ (см. заявка US 20100055462, МПК В82В 1/00; В82В 3/00, опубликована 04.03.2010), путем определения расщепления сверхтонкой структуры для ионов Мn2+ в виде шести линий (секстет) и сравнения этого расщепления с величиной, наблюдаемой в объемном кристалле исходного материала основы и оболочки. Положение иона Мn 2+ внутри основы или оболочки определяют по изменению ширины отдельной линии секстета. При этом тонкая структура в спектре ЭПР иона Мп2+ может дать информацию об угле разориентированности системы нанокристаллов.

Недостатком известного способа является малая информативность расщепления сверхтонкой структуры Мn2+ в виду слабой зависимости этой величины от положения марганца в нанокристалле, большой ширины отдельных линий сверхтонкого секстета вблизи интерфейса или в оболочке. Изотропность сверхтонкого взаимодействия не позволяет определять степень ориентированности системы по этой характеристике, а тонкая структура, которая обычно наиболее информативна для определения степени ориентированности системы, практически не видна в спектрах ЭПР из-за уширения линий, вызванного эффектами напряжения в наноструктуре.

Известен способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза в виде поликристаллических алмазных пленок (С.F.О.Graeff, С.Е.Nebel, М.Stutzmann, A.Floeter and R.Zachai, Characterization of textured polycrystalline diamond by electron spin resonance spectroscopy, J. Appl. Phys. 81 (1), 234-237, 1997), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип.

В способе-прототипе помещают композит алмаза в виде поликристаллической алмазной пленки в резонатор спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), регистрируют спектр ЭПР N0-дефектов в композите алмаза при разных ориентациях композита алмаза относительного внешнего магнитного поля, сравнение полученных зависимостей линий ЭПР с рассчитанными положениями линий ЭПР N0-дефекта в монокристалле алмаза в магнитном поле, определяемыми из соотношения:

В=В0±[(A||способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 2Cos2способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 +Aспособ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 2Sin2способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 ]1/2,

где В0=hf/g eспособ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 e величина магнитного поля, определяющее центр тяжести спектра ЭПР, Тл;

h=6,62606896·10 -34 - постоянная Планка, Дж·с;

f - частота спектрометра ЭПР, Гц;

gе=2,0024 - безразмерная величина, называемая g-фактором и характеризующая гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента N 0-дефекта;

способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 е=9,2740·10-24 - магнетон Бора, Дж/Тл;

A||=4,093·10-3 - константа сверхтонкого взаимодействия с ядром азота 14 N для N0-дефекта в направлении магнитного поля параллельном оси симметрии дефекта, Тл;

Aспособ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 =2,920·10-3 - константа сверхтонкого взаимодействия с ядром азота 14N для N0 -дефекта в направлении магнитного поля перпендикулярно оси симметрии дефекта, Тл;

способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 - угол между направлением внешнего магнитного поля и осью <111> кристалла алмаза, вдоль которой ориентирован рассматриваемый N0-дефект, градусы; определяют увеличение ширины линии ЭПР в композите алмаза по сравнению с шириной линии ЭПР в монокристалле алмаза, и по увеличению ширины линии ЭПР рассчитывают угол разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза.

Способ-прототип основан на использовании электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) для регистрации угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза в виде поликристаллических алмазных пленок. Из исследований природного и синтетического алмаза известно, что азот является доминирующей примесью в алмазе, входящий в кристалл в многочисленных формах: от изолированных атомов, замещающих углерод, до многоатомных агрегатов. Азот в форме атома, замещающего углерод, является глубоким донором с уровнем, расположенным под зоной проводимости на глубине 1,7 эВ и характеризуется хорошо идентифицированным сигналом ЭПР, известным под названием Р1 центр. В прототипе в качестве измерительного дефекта используют Р1 центр, который в дальнейшем будет обозначен как N0-дефект. ЭПР сигнал N0-дефектов в алмазе представляет собой центральную линию и два сателлита, обусловленные сверхтонким взаимодействием неспаренного электрона со спином S=1/2 с ядром азота 14N, имеющим ядерный спин I=1. Неспаренный электрон может находиться на одной из четырех C-N связей и, следовательно, ось симметрии центра для сверхтонкого взаимодействия с ядром 14N также параллельна одному из четырех <111> направлений в кристалле. Разориентация кристаллитов приводит к уширению сателлитных линий, это уширение использовано для количественной характеристики угла разориентированности кристаллической структуры пленки алмаза. При этом используют анизотропию положения линии ЭПР N0-дефекта от ориентации отдельных кристаллитов алмаза. Следует подчеркнуть, что спектр ЭПР текстурированного материала (с частично-ориентированными кристаллитами алмаза) представляет собой промежуточное состояние между двумя предельными случаями в виде монокристалла с одной стороны и полностью усредненной по ориентациям системы микро- или нанокристаллов с другой. Форма уширенной линии сателлитов позволяет получить функцию распределения ориентации (ФРО) кристаллитов образующих пленку.

Недостатком известного способа является слабая анизотропия спектров ЭПР N0-дефектов, недостаточная точность определения ориентации, а также невозможность оптической регистрации спектров ЭПР этих дефектов.

Задачей настоящего изобретения является разработка такого способа определения угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза, который бы обеспечивал более высокую точность измерений, а также возможность оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР), что повышает чувствительность измерений более чем на пять порядков.

Поставленная задача решается тем, что способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза включает помещение композита алмаза в резонатор спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), измерение спектров ЭПР азотно-вакансионного (NV)-дефекта в композите алмаза при разных ориентациях композита алмаза относительного внешнего магнитного поля, сравнение полученных зависимостей линий ЭПР с рассчитанными положениями линий ЭПР NV-дефекта в монокристалле алмаза в магнитном поле, определяемыми из соотношения:

В=B0±1/2D(3Cos2 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 -1),

где В0=hf/geспособ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 e - величина магнитного поля, определяющего центр тяжести спектра ЭПР, Тл;

h=6,62606896·10 -34 - постоянная Планка, Дж·c;

f - частота спектрометра ЭПР, Гц;

ge=2,0024 - безразмерная величина, называемая g-фактором и характеризующая гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента NV-дефекта в алмазе;

Ве=9,274010-24 - магнетон Бора, Дж/Тл;

D=0,104 - расщепление тонкой структуры для NV дефекта в алмазе, Тл;

способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 - угол между направлением магнитного поля и осью <111> кристалла алмаза, градусы;

определение увеличения ширины линии ЭПР в композите алмаза по сравнению с шириной линии ЭПР в монокристалле алмаза и определение угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза по увеличению ширины линии ЭПР.

Измерение спектров ЭПР NV-дефекта может быть осуществлено методом оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) NV-дефектов.

Возбуждение NV-дефектов алмаза может быть осуществлено с использованием конфокальной оптики.

NV-дефекты, выбранные в настоящем способе в качестве измерительных дефектов, представляют собой вакансию углерода (V), в ближайшей координационной сфере которой один из четырех атомов углерода заменен атомом азота (N). После открытия уникальных излучающих свойств NV-дефектов в алмазе, позволяющих оптически регистрировать магнитный резонанс в основном состоянии NV-дефектов при комнатной температуре и более высокой (до 300°С) вплоть до регистрации магнитного резонанса на единичных дефектах (см. A.Gruber, A.Drabenstedt, С.Tietz, L.Fleury, J.Wrachtrup, С.Von Borczyskowski, Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers, Science 1997, 276, 2012-2014; J.Wrachtrup, F.Jelezko, Processing quantum information in diamond, J.Phys.: Condens. Matter 18, S807, 2006), появилась возможность абсолютной миниатюризации элементной базы микро- и оптоэлектроники вплоть до устройства на основе единичного дефекта. Это открывает возможности для применения NV-дефектов в таких перспективных областях как магнитометрия, квантовая оптика, биомедицина, а также для развития новых информационных технологий, основанных на квантовых свойствах спинов и одиночных фотонов. Использование конфокальной оптики для возбуждения измерительных NV-дефектов в субмикронном объеме материала позволяет определять взаимную ориентацию нанокристаллов в возбуждаемом оптически малом объеме материала.

При использовании настоящего способа точность определения взаимной ориентации кристаллитов алмаза увеличилась более, чем на два порядка по сравнению со способом-прототипом. Возможность оптического детектирования магнитного резонанса NV-дефектов, которая не может быть реализована с использованием измерительного N0-дефекта прототипа, повышает чувствительность способа при регистрации измерительных NV-дефектов не менее чем на пять порядков, поскольку регистрируется высокоэнергетический оптический квант, а не низкоэнергетический микроволновый квант.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлены рассчитанные ориентационные зависимости положений линий ЭПР NV-дефектов и N0-дефектов. (Справа ориентационные зависимости представлены в увеличенном в 20 раз масштабе магнитных полей. Величина ДВ/Д0 характеризует среднюю величину изменения магнитного поля вблизи ориентации 45° при изменении ориентации на один градус в единицах Тл. Для NV-дефектов способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 В/способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 =2,68 мТ/градус, для N0-дефектов способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 В/способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 =0,02 мТ/градус);

на фиг.2 представлены экспериментальные спектры ЭПР NV-дефектов (низкополевая часть) и N0-дефектов, зарегистрированные при комнатной температуре на частоте 94 ГГц: (1) в спеченном композите ДНА размером порядка 10 мкм, как показано на рисунке, ориентация магнитного поля близка к направлению одной из осей <111> ориентированного массива композита; (2, 3) в одиночном синтетическом микрокристалле алмаза размером порядка 100 мкм для двух ориентации магнитного поле относительно осей кристалла;

на фиг.3 приведено сравнение ширин линий ЭПР NV-дефектов, зарегистрированных в спеченном композите ДНА и одиночном синтетическом микрокристалле алмаза. (Метками указаны два сателлита, обусловленные сверхтонким взаимодействием с ядром углерода 13С, задающие абсолютный масштаб магнитных полей, поскольку параметры сверхтонкого взаимодействия с ядром углерода 13С табулированы. Полуширины линий указаны стрелками);

на фиг.4 представлены реперные ориентационные зависимости положений линии ОДМР в магнитном поле для измерительных NV-дефектов в алмазе, рассчитанные для двух выбранных микроволновых частот 2,7 ГГц и 3,0 ГГц, которые меньше и больше частоты расщепления тонкой структуры спиновых подуровней NV-дефекта, равной 2,87 ГГц (Величина способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 В/способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 характеризует среднюю величину изменения магнитного поля при изменении ориентации монокристалла относительно магнитного поля на один градус в единицах Тл/Градус);

на фиг.5 показаны реперные ориентационные зависимости положений линий ОДМР в магнитном поле для измерительных NV-дефектов в монокристалле алмаза, имеющих четыре эквивалентные ориентации в кристалле вдоль осей <111>, рассчитанные для выбранной микроволновой частоты 3,0 ГГц, которая больше частоты расщепления тонкой структуры спиновых подуровней NV-дефекта равной 2,87 ГГц;

на фиг.6 приведены экспериментальные спектры ОДМР NV-дефектов, зарегистрированные при комнатной температуре на двух частотах (больше и меньше частоты 2,87 ГГц) в одиночном синтетическом микрокристалле алмаза размером порядка 100 мкм для одной и той же ориентации магнитного поля относительно осей кристалла (Пунктиром показана линия ОДМР, зарегистрированная в спеченном композите ДНА размером порядка 10 мкм, изображение которого показано на фиг.2).

Настоящий способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза осуществляют следующим образом. Помещают композит алмаза в резонатор спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и измеряют спектры ЭПР азотно-вакансионного (NV-) дефекта в композите алмаза при разных ориентациях композита алмаза относительного внешнего магнитного поля, как показано на фиг.2, причем положение этих линий однозначно связано с ориентацией данного NV-дефекта, то есть с определенным углом способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 . Рассчитывают ориентационные зависимости положений линий ЭПР NV-дефектов в монокристалле алмаза, исходя из известных параметров спинового гамильтониана, которые используют в дальнейшем как градуировочные кривые, как показано в правой части фиг.1. Положение линий NV-дефектов в магнитном поле определяют из соотношения:

В=B0±1/2D(3Cos 2способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 -1),

где В0=hf/geспособ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 e - величина магнитного поля, определяющая центр тяжести спектра ЭПР, Тл;

h=6,6260б896·10 -34 - постоянная Планка, Дж·с;

f - частота спектрометра ЭПР, Гц;

gе - безразмерная величина, называемая g-фактором и характеризующая гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента;

способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 е=9,2740·10-24- магнетон Бора, Дж/Тл;

D=0,104 - расщепление тонкой структуры для NV дефекта в алмазе, Тл;

способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 - угол между направлением магнитного поля и осью <111> кристалла алмаза, градусы.

Величина способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 В/способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 характеризует среднюю амплитуду изменения магнитного поля вблизи ориентации 45° при изменении ориентации на один градус в единицах Тл. Для NV-дефектов средняя величина, рассчитанная из условия отклонения угла способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 от 45° на ±5°, способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 В/способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 =2,68 мТ/градус. Эта величина, как видно из правой части фиг.1 более чем на два порядка больше величины способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 В/способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 =0,02 мТ/градус для N0-дефектов, также рассчитанная из условия отклонения угла способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 от 45° на ±5°.

Ширины отдельных линий, полученных спектров ЭПР, сравнивают с соответствующими ширинами линий известных реперных спектров ЭПР NV-дефектов в монокристалле алмаза, показанные для двух произвольных ориентации в нижней части фиг.2. Затем определяют угол разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза по увеличению ширины линии ЭПР NV-дефектов в композите по сравнению с шириной линии ЭПР NV-дефектов в реперном образце монокристалла алмаза. При предварительном анализе ширину линии просто делят на способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 В/способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 =2,68 мТ/градус, в результате получают угол разориентированности кристаллитов в градусах. При более точном определении угла разориентированности необходимо каждой лнии NV дефектов на фиг.2 сопоставить угол способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 между осью NV дефекта и внешним магнитным полем, а затем с помощью зависимости на фиг.1 определить параметр способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 В/способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 для данного угла способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 .

Заявляемый способ иллюстрируется на примере определения угла разориентированности кристаллитов в композите, изготовленном путем спекания детанационных наноалмазов (ДНА). Изготовление алмазной структуры с NV-дефектами включает спекание очищенных ДНА с размерами алмазных зерен 4-5 нм в камере высокого давления при давлении 5-7 ГПа и температуре 750-1000°С в течение времени от нескольких секунд до нескольких минут. Далее производили отбор из порошка алмазных агрегатов с размерами в области 1-15 мкм с квазикристаллическими свойствами с высокой концентрацией NV-дефектов по яркой характерной люминесценции в красной области при возбуждении их лазером с длиной волны 532 нм. В результате получают композит в виде алмазной структуры с высокой концентрацией NV-дефектов и N0-дефектов.

Полученный композит помещают в резонатор спектрометра ЭПР выбранного диапазона. В настоящем примере использовали высокочастотный спектрометр, работающий на частоте 94 ГГц, повышенная чувствительность которого позволяла использовать одиночный образец композита микронного размера. Изображение этого образца приведено на фиг.2. Регистрировали спектр ЭПР для произвольной ориентации композита в магнитном поле. В данном примере путем вращения образца достигалась ориентация, при которой наблюдалось максимальное расщепление между крайними линиями в спектре, это соответствовало минимальному магнитному полю для крайней линии спектра, представленной на фиг.2. Установление специальной ориентации не является обязательной процедурой в данном способе, так как по положению линий ЭПР NV-дефектов всегда можно точно определить угол способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 для рассматриваемого NV-дефекта. В спектре ЭПР на фиг.2 видны несколько линий ЭПР, принадлежащих NV-дефектам, которые соответствуют разным углам магнитного поля относительно оси NV-дефекта. Затем выбирают одну линию в спектре ЭПР композита и ее ширину сравнивают с шириной линии ЭПР NV-дефектов, наблюдаемой в реперном образце в виде монокристалла алмаза, как показано на фиг.3. Отношение ширины линии в композите к величине АВ/Л0 для данного угла способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 дает угол разориентированности кристаллитов в композите. Если брать среднюю величину способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 В/способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 =2,68 мТ/градус для ориентации около 45 градусов получаем угол разориентированности кристаллитов в данном композите около 0,5 градуса.

В отличие от способа-прототипа, в настоящем способе спектры ЭПР NV-дефектов могут быть детектированы оптически. При этом чувствительность детектирования спектров ЭПР увеличивается на несколько порядков (не менее пяти порядков). Настоящий способ определения угла разориентированности нанокристаллов в композите из микро- нанокристаллов алмаза при оптическом детектировании спектров ЭПР осуществляют следующим образом. Образец помещают в резонаторную систему спектрометра низкочастотного диапазона, представляющую собой виток провода. На виток подают СВЧ заданной частоты и снимают спектры ОДМР по изменению характерной люминесценции NV-дефектов в красной области при возбуждении зеленым лазером (например, 532 нм) в момент магнитного резонанса, условия которого создаются путем развертки внешнего магнитного поля на образце. Рассчитывают ориентационные зависимости положений линий ЭПР NV-дефектов в монокристалле алмаза, зарегистрированные на микроволновых частотах, чуть меньших или чуть больших частоты расщепления тонкой структуры спиновых подуровней NV-дефектов равной 2,87 ГГц, по известным параметрам спинового гамильтониана и определяется средняя величина способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 В/способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 . Затем ширину линии ЭПР NV-дефектов, полученная в композите, сравнивают с шириной линии ЭПР, полученной в реперном монокристалле алмаза. Затем рассчитывают угол разориентированности кристаллитов композита по увеличению ширины линии ОДМР NV-дефектов в композите по сравнению с шириной линии ОДМР NV-дефектов в реперном образце монокристалла алмаза.

На фиг.4 представлены реперные ориентационные зависимости положений линии ОДМР в магнитном поле для измерительных NV-дефектов в алмазе, рассчитанные для двух выбранных микроволновых частот 2,7 ГГц и 3,0 ГГц, которые меньше и больше частоты расщепления тонкой структуры спиновых подуровней NV-дефекта равной 2,87 ГГц. Величина ДВ/Д0 характеризует среднюю величину изменения магнитного поля при изменении ориентации монокристалла относительно магнитного поля на один градус в единицах Тл/градус. На фиг.5, в дополнение к фиг.4, показаны реперные ориентационные зависимости положений линий ОДМР в магнитном поле для измерительных NV-дефектов в монокристалле алмаза, имеющих четыре эквивалентные ориентации в кристалле вдоль осей <111>, рассчитанные для выбранной микроволновой частоты 3,0 ГГц, которая больше частоты расщепления тонкой структуры спиновых подуровней NV-дефекта, равной 2,87 ГГц. Видно, что имеются одновременно несколько линий ЭПР NV-дефектов, что свидетельствует о выполнении резонансных условий для нескольких NV-дефектов, характеризующимися разными ориентациями в магнитном поле.

На фиг.6 в качестве примера приведены экспериментальные спектры ОДМР NV-дефектов, зарегистрированные при комнатной температуре на двух частотах больше и меньше частоты 2,87 ГГц в одиночном синтетическом микрокристалле алмаза размером порядка 100 мкм для одной и той же ориентации магнитного поля относительно осей кристалла. Пунктиром показана линия ОДМР, зарегистрированная в спеченном композите ДНА размером порядка 10 мкм, изображение которого показано на фиг.2. Отношение ширины линии в композите к величине способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 В/способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 , рассчитываемой для определенного угла способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 , однозначно определяемого из спетров ОДМР, дает угол разориентированности кристаллитов в композите. Угол разориентированности кристаллитов в данном композите составляет примерно 0,5 градуса, что хорошо согласуется с результатами, полученными с помощью стандартного метода ЭПР.

Использование конфокальной оптики для возбуждения измерительных NV-дефектов в субмикронном объеме материала, позволяет определять взаимную ориентацию нанокристаллов в возбуждаемом оптически малом объеме материала, что невозможно без ОДМР.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза, включающий помещение композита алмаза в резонатор спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), измерение спектров ЭПР азотно-вакансионного NV-дефекта в композите алмаза при разных ориентациях композита алмаза относительного внешнего магнитного поля, сравнение полученных зависимостей линий ЭПР с рассчитанными положениями линий ЭПР NV-дефекта в монокристалле алмаза в магнитном поле, определяемыми из соотношения:

В=B0±1/2D(3Cos2 способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 -1),

где В0=hf/geспособ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 e - величина магнитного поля, определяющего центр тяжести спектра ЭПР, Тл;

h=6,62606896·10 -34 - постоянная Планка, Дж·с;

f - частота спектрометра ЭПР, Гц;

gе=2,0024 - безразмерная величина, называемая g-фактором и характеризующая гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента NV-дефекта в алмазе;

способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 е=9,2740·10-24 - магнетон Бора, Дж/Тл;

D=0,104 - расщепление тонкой структуры для NV-дефекта в алмазе, Тл;

способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза   в композите алмаза, патент № 2522596 - угол между направлением магнитного поля и осью <111> кристалла алмаза, градусы;

определение увеличения ширины линии ЭПР в композите алмаза по сравнению с шириной линии ЭПР в монокристалле алмаза и определение угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза по увеличению ширины линии ЭПР.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение спектров ЭПР NV-дефекта осуществляют методом оптического детектирования магнитного резонанса NV-дефектов.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что возбуждение NV-дефектов алмаза осуществляют с использованием конфокальной оптики.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2522596

patent-2522596.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C01B31/06 алмаз 

Класс B82Y35/00 Способы или устройства для измерения или анализа нано-структур

Патенты РФ в классе B82Y35/00:
сканирующий зондовый микроскоп и способ выявления близости его зондов -  патент 2526295 (20.08.2014)
способ диагностики дефектов на металлических поверхностях -  патент 2522709 (20.07.2014)
тестовый объект для калибровки микроскопов в микрометровом и нанометровом диапазонах -  патент 2519826 (20.06.2014)
система обнаружения для динамического зонда -  патент 2518859 (10.06.2014)
сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов -  патент 2515731 (20.05.2014)
система обнаружения зонда -  патент 2512674 (10.04.2014)
тестовая структура для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера сканирующего зондового микроскопа -  патент 2511025 (10.04.2014)
экспертно-криминалистический видеокомплекс -  патент 2510965 (10.04.2014)
оптическая измерительная система и способ измерения критического размера -  патент 2509718 (20.03.2014)
кантилевер с одноэлектронным транзистором для целей зондовой микроскопии -  патент 2505823 (27.01.2014)


Наверх