Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ СПИН-РЕШЁТОЧНОЙ РЕЛАКСАЦИИ NV- ЦЕНТРОВ В АЛМАЗЕ
|
Введение 3
Глава 1. Обзор 6
1.1. Что такое алмаз? 6
1.2. Классификация алмазов 7
1.3. Азотно-вакансионный центр 8
Глава 2. Материалы и методы 67
Глава 3. Результаты 72
3.1 Спектры ЭПР 72
3.2 Измерение температурной зависимости скорости спин-
решёточной релаксации 77
3.3 Построение моделей 80
Заключение 85
Список использованной литературы 86
Глава 1. Обзор 6
1.1. Что такое алмаз? 6
1.2. Классификация алмазов 7
1.3. Азотно-вакансионный центр 8
Глава 2. Материалы и методы 67
Глава 3. Результаты 72
3.1 Спектры ЭПР 72
3.2 Измерение температурной зависимости скорости спин-
решёточной релаксации 77
3.3 Построение моделей 80
Заключение 85
Список использованной литературы 86
ЭПР спектроскопия в настоящее время широко применяется для исследования парамагнитных дефектов и примесей в различных практически значимых материалах.
В последнее десятилетие идет интенсивный поиск эффективных точечных дефектов в диэлектрических и полупроводниковых матрицах для создания новых квантовых сенсоров, элементов компьютеров и источников единичных квазичастиц [1-5]. Разрабатывается стратегия изучения и создания оптимальных систем для решения определённых задач. На сегодняшний день NV центры в алмазе являются самой перспективной многофункциональной системой. Это обусловлено рядом её уникальных свойств:
1. высокая эффективность детектирования, вплоть до отдельных дефектов, используя узкую нуль фононную линию (1.945 эВ) в спектре флюоресценции [6];
2. возможность получить высокую степень поляризации при комнатной температуре, используя оптическую или микроволновую накачку;
3. чувствительность электронной структуры NV центров в алмазе к воздействию электрических, магнитных полей, давлению и температуре [7].
Однако, даже в этом случае, при интенсивных и многочисленных исследованиях, полностью природа центра не установлена. Это приводит к снижению эффективности использования системы в приложениях и противоречивым результатам при интерпретации экспериментальных данных, в частности при получении значений времён спин-решёточной релаксации. Поэтому цели, поставленные в работе, представляются актуальными.
Целью работы является проведение исследований температурных, полевых зависимостей скорости спин-решёточной релаксации NV дефектов в алмазах, синтезированных различными методами. Задача состояла в установлении процессов, определяющих СРР NV дефектов в алмазах, и получении информации о локальном фононом спектре центра.
Публикации
1. Юнусова К.М. Исследование фотоактивных парамагнитных
центров в метеоритных наноалмазах методами импульсного ЭПР // Сборник материалов Итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского Федерального университета. Мин-во образования и науки; Казанский (Приволжский)
федеральный ун-т. - Казань: Изд. Казан. Ун-т, 2014.-Т2: институт математики и механики им. Н.И. Лобачевского, Институт физики, Химический институт им. А.М. Бутлерова, Юридический факультет. - 326 с.: Издательство Казанского университета, 2014.
2. Yunusova K.M., Mamin G.V., Orlinskii S.B., Yavkin B.V. Pulsed EPR study of photoinduced paramagnetic centres in meteoritic Nanodiamonds // program lecture notes proceedings of the XVII International Youth Scientific School (Kazan, 22 - 27 June 2014) / edited by M.S. Tagirov (Kazan Federal University), V.A. Zhikharev (Kazan State Technological University). - Kazan: Kazan University, 2014. - 165 p.
3. Юнусова К.М., Орлинский С.Б., Мамин Г.В., Явкин Б.В. Импульсный ЭПР фотоактивных парамагнитных центров в метеоритных наноалмазах // Сборник материалов I Всероссийской школы-конференций студентов, аспирантов и молодых учёных «Материалы и технологии XXI века». Отв. ред. А.В. Герасимов. [Электронный ресурс] - Казань.: Изд-во КФУ, 2014.
4. Yunusova K.M., Mamin G.V., Orlinskii S.B., Yavkin B.V. Spin relaxation of NV- center in diamond // program lecture notes proceedings of the XVIII International Youth Scientific School (Kazan, 26 - 30 October 2015) / edited by M.S. Tagirov, V.A. Zhikharev. - Kazan: Kazan University Press, 2015. - 148 p.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 92 страницы, включая 54 рисунка и 8 таблиц. Список литературы содержит 45 наименований.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность направления
исследований, описаны перспективы практического применения
изучаемого материала, показана значимость данного исследования и его результатов, а также сформулированы цели и задачи диссертационной работы.
В первой главе диссертации представлен обзор литературы, описана структура отрицательно заряженного азотно-вакансионного центра в алмазе и его свойства, изложены результаты исследований внутренней динамики центра различными методами, в том числе исследования, проведённые ранее в НИЛ МРС и КЭ им. С.А. Альтшулера.
Во второй главе описаны методы измерений и образцы.
Третья глава посвящена полученным результатам. В ней приведена их интерпретация, объяснены выбранные для описания модели, указаны результаты сравнения этих моделей.
В заключении подведены итоги проделанной работы и изложены выводы.
В последнее десятилетие идет интенсивный поиск эффективных точечных дефектов в диэлектрических и полупроводниковых матрицах для создания новых квантовых сенсоров, элементов компьютеров и источников единичных квазичастиц [1-5]. Разрабатывается стратегия изучения и создания оптимальных систем для решения определённых задач. На сегодняшний день NV центры в алмазе являются самой перспективной многофункциональной системой. Это обусловлено рядом её уникальных свойств:
1. высокая эффективность детектирования, вплоть до отдельных дефектов, используя узкую нуль фононную линию (1.945 эВ) в спектре флюоресценции [6];
2. возможность получить высокую степень поляризации при комнатной температуре, используя оптическую или микроволновую накачку;
3. чувствительность электронной структуры NV центров в алмазе к воздействию электрических, магнитных полей, давлению и температуре [7].
Однако, даже в этом случае, при интенсивных и многочисленных исследованиях, полностью природа центра не установлена. Это приводит к снижению эффективности использования системы в приложениях и противоречивым результатам при интерпретации экспериментальных данных, в частности при получении значений времён спин-решёточной релаксации. Поэтому цели, поставленные в работе, представляются актуальными.
Целью работы является проведение исследований температурных, полевых зависимостей скорости спин-решёточной релаксации NV дефектов в алмазах, синтезированных различными методами. Задача состояла в установлении процессов, определяющих СРР NV дефектов в алмазах, и получении информации о локальном фононом спектре центра.
Публикации
1. Юнусова К.М. Исследование фотоактивных парамагнитных
центров в метеоритных наноалмазах методами импульсного ЭПР // Сборник материалов Итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского Федерального университета. Мин-во образования и науки; Казанский (Приволжский)
федеральный ун-т. - Казань: Изд. Казан. Ун-т, 2014.-Т2: институт математики и механики им. Н.И. Лобачевского, Институт физики, Химический институт им. А.М. Бутлерова, Юридический факультет. - 326 с.: Издательство Казанского университета, 2014.
2. Yunusova K.M., Mamin G.V., Orlinskii S.B., Yavkin B.V. Pulsed EPR study of photoinduced paramagnetic centres in meteoritic Nanodiamonds // program lecture notes proceedings of the XVII International Youth Scientific School (Kazan, 22 - 27 June 2014) / edited by M.S. Tagirov (Kazan Federal University), V.A. Zhikharev (Kazan State Technological University). - Kazan: Kazan University, 2014. - 165 p.
3. Юнусова К.М., Орлинский С.Б., Мамин Г.В., Явкин Б.В. Импульсный ЭПР фотоактивных парамагнитных центров в метеоритных наноалмазах // Сборник материалов I Всероссийской школы-конференций студентов, аспирантов и молодых учёных «Материалы и технологии XXI века». Отв. ред. А.В. Герасимов. [Электронный ресурс] - Казань.: Изд-во КФУ, 2014.
4. Yunusova K.M., Mamin G.V., Orlinskii S.B., Yavkin B.V. Spin relaxation of NV- center in diamond // program lecture notes proceedings of the XVIII International Youth Scientific School (Kazan, 26 - 30 October 2015) / edited by M.S. Tagirov, V.A. Zhikharev. - Kazan: Kazan University Press, 2015. - 148 p.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 92 страницы, включая 54 рисунка и 8 таблиц. Список литературы содержит 45 наименований.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность направления
исследований, описаны перспективы практического применения
изучаемого материала, показана значимость данного исследования и его результатов, а также сформулированы цели и задачи диссертационной работы.
В первой главе диссертации представлен обзор литературы, описана структура отрицательно заряженного азотно-вакансионного центра в алмазе и его свойства, изложены результаты исследований внутренней динамики центра различными методами, в том числе исследования, проведённые ранее в НИЛ МРС и КЭ им. С.А. Альтшулера.
Во второй главе описаны методы измерений и образцы.
Третья глава посвящена полученным результатам. В ней приведена их интерпретация, объяснены выбранные для описания модели, указаны результаты сравнения этих моделей.
В заключении подведены итоги проделанной работы и изложены выводы.
В данной работе было проведено исследование температурных и полевых зависимостей скорости спин-решёточной релаксации NV- дефектов в алмазах. Были получены и интерпретированы следующие экспериментальные данные: спектры ЭПР для двух образцов синтетических монокристаллических алмазов, содержащих NV- центры, угловые зависимости спектров ЭПР, кривые восстановления намагниченности, температурные зависимости скорости спин-решёточной релаксации.
С помощью моделирования в програмной модуле Easyspin [39] было показано, что 4 пары линий в спектрах ЭПР соответствуют 4 магнитно-неэквивалентным NV- центрам.
Были установлены процессы, определяющие спин-решёточную релаксацию NV- центров в алмазах: прямой процесс и двухфононный процесс Орбаха-Аминова. Процесс Орбаха-Аминова обладает энергией активации, соответствующей энергии локальной моды NV- центров.
Также была обнаружена аномалия в поведении температурной зависимости скорости спин-решёточной релаксации близ критической температуры. Построенная модель хорошо описывает экспериментальные данные для обоих образцов. Это позволяет сделать вывод о том, что при критической температуре ~ 125 К происходит локальный фазовый переход за счёт «смягчения» локальной моды NV- центра и переход на прямой процесс релаксации. Таким образом, была получена информация о локальном фононном спектре исследованных центров.
Автор хотел бы выразить благодарность кафедре Квантовой электроники и радиоспектроскопии ИФ КФУ, Физико-техническому институту им. Иоффе РАН, НИЛ МРС и КЭ им. С.А.Альтшулера, С.Б. Орлинскому, М.С.Тагирову, Г.В.Мамину, Б.В Явкину, Т.Б.Биктагирову, М.Р.Гафурову, Д.Г.Звереву, А.А.Родионову, Р.В.Юсупову, И.Н.Грачёвой.
С помощью моделирования в програмной модуле Easyspin [39] было показано, что 4 пары линий в спектрах ЭПР соответствуют 4 магнитно-неэквивалентным NV- центрам.
Были установлены процессы, определяющие спин-решёточную релаксацию NV- центров в алмазах: прямой процесс и двухфононный процесс Орбаха-Аминова. Процесс Орбаха-Аминова обладает энергией активации, соответствующей энергии локальной моды NV- центров.
Также была обнаружена аномалия в поведении температурной зависимости скорости спин-решёточной релаксации близ критической температуры. Построенная модель хорошо описывает экспериментальные данные для обоих образцов. Это позволяет сделать вывод о том, что при критической температуре ~ 125 К происходит локальный фазовый переход за счёт «смягчения» локальной моды NV- центра и переход на прямой процесс релаксации. Таким образом, была получена информация о локальном фононном спектре исследованных центров.
Автор хотел бы выразить благодарность кафедре Квантовой электроники и радиоспектроскопии ИФ КФУ, Физико-техническому институту им. Иоффе РАН, НИЛ МРС и КЭ им. С.А.Альтшулера, С.Б. Орлинскому, М.С.Тагирову, Г.В.Мамину, Б.В Явкину, Т.Б.Биктагирову, М.Р.Гафурову, Д.Г.Звереву, А.А.Родионову, Р.В.Юсупову, И.Н.Грачёвой.