Исследовать электрическую и магнитную активность синтетических алмазов и создать термочувствительные приборные структуры на их основе: подпрограмма «Кристаллические и молекулярные структуры» ГПНИ «Функциональные и машиностроительные материалы, наноматериалы» : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / БГУ ; научный руководитель Н. А. Поклонский

Abstract

Объект исследования — монокристаллы природных и синтетических алмазов, поликристаллические алмазы, выращенные CVD методом, парамагнетизм алмазных материалов и прыжковый перенос электронов. Цель работы — разработать физико-технологические основы контроля и управления электропроводностью и магнитной восприимчивостью синтетических алмазов, содержащих радиационные дефекты, а так же примеси азота, бора и металлов-катализаторов, для целей электроники и сенсорики. Методы исследования — спектроскопия оптического поглощения, фотолюминесценции, комбинационного рассеяния света; электронный спиновый резонанс; импедансная спектроскопия; компьютерное моделирование, численный эксперимент. В результате выполнения работы установлено, что в природном алмазе типа Ia имплантацией ионов никеля (энергия 335 МэВ, флюенс 51014 см–2), в диапазоне 1350–1820 см1 впервые выделено около 20 узких (шириной 5–13 см1) полос, обусловленных локальными колебаниями собственных дефектов в разупорядоченной алмазной матрице. Обнаружено, что в широком диапазоне радиационных повреждений (вдоль шлифа) пиковая интенсивность полосы 1490 см1 пропорциональна интенсивности алмазного пика, а полосы 1630 см1 — интенсивности полосы 100–1375 см1, обусловленной разупорядочением алмаза имплантацией. Выявлена немонотонность амплитуды пика КРС алмаза в области глубже расчетной длины проекционного пробега ионов никеля ≈29,2 мкм. Методом ЭСР впервые выявлено наличие уединенных областей магнитного упорядочения электронных спинов (суперпарамагнитных кластеров) в поликристаллической CVD алмазной пластинке, облученной быстрыми реакторными нейтронами флюенсом 3•1018 см–2. Предложена модель, связывающая появление новых линий в ЭСР-спектре (g-факторы gl  gp  2,7 и gh  gn  1,7) при комнатной температуре со скоплением парамагнитных радиационных дефектов структуры в виде уединенных шарообразных суперпарамагнитных кластеров (ферронов). В облученной реакторными нейтронами (флюенсом 31018 см2) пластинке поликристаллического CVD-алмаза обнаружены также метастабильные спиновые состояния (типа спинового стекла). Сформулированы соотношения для прыжкового тока в кристаллическом полупроводнике по неподвижным s-дефектам одного сорта в двух зарядовых состояниях (1, 1), которые вместе с уравнением непрерывности для мигрирующих по кристаллу зарядовых состояний (1, 1) неподвижных точечных s-дефектов, а также уравнением Пуассона, определяющим напряженность электрического поля внутри полупроводника, составляют систему уравнений, описывающих прыжковую миграцию биполяронов по s-дефектам с отрицательной энергией корреляции. Получена также аналитическая зависимость длины экранирования от концентрации прыгающих пар электронов (биполяронов) по s-дефектам в зарядовых состояниях (1, 1) и от температуры. Исследован концентрационный фазовый переход изолятор–металл в синтетических алмазах, легированных бором. Впервые обнаружено значительное (до двух тысяч раз) увеличение макроскопической диэлектрической проницаемости алмазов на частоте до 3 МГц при увеличении концентрации бора, что связано как с вкладом в проницаемость электрически нейтральных атомов бора, так и микроскопически неоднородным распределением атомных дефектов структуры, а также дырок v-зоны в образцах алмаза. Разработана схема установки для бесконтактного измерения удельной электрической проводимости образцов кристаллов алмаза. В отличие от известных методов СВЧ-измерений, когда образец для каждого измерения необходимо специально фиксировать в рабочем резонаторе, в предлагаемой методике образец пролетает через резонатор, что обеспечивает быстрое измерение параметров образца. Изготовлен макет установки.