6.7. Магнитный резонанс

Магнитный резонанс – это избирательное (резонансное) поглощение энергии переменного электромагнитного поля электронной или ядерной подсистемами вещества, находящегося в постоянном магнитном поле. Поглощение связано с квантовыми переходами между дискретными энергетическими уровнями,возникающими в этих подсистемах под действием постоянного магнитного поля.

Электронный парамагнитный резонанс. Его наблюдают во всех веществах, в которых имеются неспаренные (нескомпенсированные) электроны. Для выяснения физической природы ЭПР рассмотрим изолированный атом (или ион), обладающий результирующим магнитным моментом Мj, который складывается из спиновых магнитных моментов электронов и орбитальных магнитных моментов, связанных с движением электронов и орбитальных магнитных моментов, связанных с движением электронов вокруг ядра. Магнитный момент ядра, состоящего из протонов и нейтронов, примерно на три порядка меньше магнитного момента электрона. Спиновый и орбитальный магнитные моменты Мs и М_L связаны с соответствующими механическими моментами Рs и Р_L гиромагнитными отношениями:

; (6.37)

Вследствие квантования механияеских моментов Рs и Р_L квантованными оказываются и магнитные моменты. Квант магнитного момента равен магнетону Бора: . Полному механическому моменту атома, оаределяемому как векторная сумма Р_j=P_L+P_S, соответствует полный магнитный момент атома М_j, проекции которого на направление поля Н определяются выражением М_jH=-m_jgµ_B. Здесь mj – магнитное квантовое число ;g – фактор расщепления Ланде (g – фактор), учитывающий различие гиромагнитнитных отношений орбитального и спинового моментов.

Для чисто спинового магнетизма g=2, для чисто орбитального =1. У всех атомов и ионов, имеющих полностью заполненные электронные оболочки, результирующие спиновые и орбитальные магнитные моменты равны нулю. Вследствие этого равен нулю и полный магнитный момент. Атомы или ионы, обладающие недостроенными внутренними оболочками (переходные и редкорземельные элементы), а также содержащие нечетное число электронов в валентной оболочке, а также содержащие нечетное число электронов в валентной оболочке, имеют отличный от нуля результирующий магнитный момент.

При наложении на атом с полным моментом импульса j внешнего магнитного поля Н₀ происходит квантование магнитного момента атома. Каждый уровень с определенным квантовым числом j расщепляется на 2j+1 подуровня с разными значениями магнитного квантового числа m_j (зеемановское расщепление):

. (6.38)

Расстояние между эквидистантными подуровнями

. (6.39)

Под действием переменного магнитного поля частоты между подуровнями возможны квантовые переходы. Правила отбора для магнитного квантового числа () допускают переходы только между соседними подуровнями. Таким образом,

. (6.40)

Если частота такова, что условие (6.40) выполняется, наблюдается интенсивное поглощение энергии электромагнитного поля. Формула (6.40) представляет собой условие элементарного магнитного атома (или иона). Из (6.40) следует что для полей Н₀, обычно используемых в экспериментах, когда Тл, резонансная частота составляет примерно 30 000МГц, что соответствует длине волны м.

Рассмотрим макроскопическое тело, содержащее большое число парамагнитных частиц.

Здесь очень важным является не только то, что имеется много магнитных моментов, но и то, что они взаимодействуют между собой и с окружением. Эти взаимодействия приводят к установлению термодинамического равновесия, если оно в силу каких-либо причин окажется нурушенным. Внутренние взаимодействия в парамагнетике влияют также на вид энергетического спектра, возникающего под действием поля Н₀. Если бы такого влияния не было, то система энергетических уровней по-прежнему определялась бы формулой (6.38) и существовала бы только одна линия поглощения, определяемая соотношением (6.40). Однако у многих парамагнетиков, в особенности у тех, где магнетизм не является чисто спиновым, система магнитных подуровней перестает быть эквидистантной. Вследствии этого вместо одной линии поглощения возникает несколько. В этом случае говорят, что проявляется тонкая структура спектра электронного парамагнитного резонанса.

Отметим также, что вследствии внутреннего взаимодействия могут изменяться правила отбора. Возможными становятся переходы не только между соседними зеемановскими уровнями. Все это значительно усложняет вид спектра ЭПР. На энергетический спектр большое влияние оказывают, кроме того, внутренние электрические поля, связанные с неоднородностью вещества, дефекты структуры, примеси и т.д.

В настоящее время ЭПР используется как один из основных методов изучения твердого тела. На основе интерпретации спектров ЭПР получают информацию о дефектах, примесях в твердых телах и электронной структуре, о механизмах химических реакций и т. д.

С помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) можно изучать частицы. Такими частицами являются электроны проводимости, свободные и несвободные радикалы, многие атомы и ионы. ЭПР успешно применяются для исследования влияния ионизирующего излучения на вещество и живые ткани, для исследования электромагнитного состояния твердых тел – металлов, диэлектриков и полупроводников – и во многих других важных областях науки и техники.

Ядерный магнитный резонанс. Представляет собой избирательное поглощение энергии электромагнитного поля, связанное с квантовыми переходами в ядерной подсистеме вещества, находящейся в постоянном магнитном поле. Атомное ядро с отличным от нуля моментом I, помещенное в магнитное поле Н₀, также испытывает пространственное квантование. Каждый энергетический уровень расщепляется на 2I+1 подуровней с энергиями

. (6.41)

Здесь - ядерный магнетон Бора;М - масса ядра.

Поглощение энергии электромагнитного поля частоты наступает при вылнении условия

, (6.42)

аналогичного условию (6.40) для ЭПР. Так как масса ядра примерно в 10³ раз больше массы электрона, . Это приводит к тому, что резонансная частота ЯМР заметно меньше частоты ЭПР. В случае протона, например, в поле Тл она соответствует 42,6МГц.

Метод ЯМР широко применяется для определения структуры сложных молекул.

Ядерный магнитный резонанс является основным и наиболее точным методом измерения магнитных моментов атомных ядер. С помоцью ЯМР удалось собрать обширный материал по структуре жидкостей, диэлектрических кристаллов, металлов, полупроводников и полимеров. С его помощью впервые были исследованы состояния с инверсионным заполнением уровней, используемые в квантовой электронике и т.д.

Кроме ЭПР и ЯМР в твердых телах могут существовать еще и другие типы магнитыных резонансов: циклотронный резонанс, электронный ферромагнитный резонанс, электронный антиферромагнитный резонанс.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют магнитными?

2.Дайте определение относительной магнитной проницаемости и приведите выражение, связывающее относительную магнитную проницаемость с магнитной индукцией и напряженностью внешнего магнитного поля.

3. Как классифицируются вещества в зависимости от величины магнитной восприимчивости?

4. Как ориентируются векторы намагниченности относительно друг другу в ферро-, ферри- и антиферромагнетиках? Приведите примеры материалов, обладающих ферро- , ферри- и антиферромагнитными свойствами.

5. Объясните природу ферромагнитного состояния, появление доменной структуры и магнитной анизотропии ферромагнетиков.

6. По графику основной кривой намагничивания объясните механизм намагничивания ферромагнитных материалов.

7. Изобразите кривую намагничивания при циклическом перемагничивании (петлю гистерезиса) и укажите на ней B_s, B_r и H_c. Объясните значения этих величин.

8. Проведите классификацию ферромагнитных материалов по виду петли гистерезиса, величине коэрцитивной силы и функциональному назначению.

9. Какие бывают виды магнитной проницаемости, применяемые при расчетах различных устройств с магнитными материалами?

10. Какие виды потерь существуют в магнитных материалах и причины их возникновения?. Каков характер изменения удельных магнитных потерь на гистерезис и вихревые токи в зависимости от частоты внешнего магнитного поля?

11. Дайте определение тангенса угла магнитных потерь и по какой формуле он определяется.

12. Что называют коэрцитивной силой?

13. Почему ферриты и магнитодиэлектрики могут применяться в высокочастотных магнитных полях?

14. Что представляют собой по структуре ферриты и магнитодиэлектрики?

15. Какую частоту внешнего магнитного поля называют критической частотой f_кр для ферритов?

16. Приведите химическую формулу феррита (например, никель-цинкового).

17. Какую величину коэрцитивной силы должны иметь магнитные материалы, применяемые для изготовления постоянных магнитов?

18. Какие магнитные запоминающие устройства Вы знаете?

19. Какие физические принципы лежат в основе магнитной «памяти» устройств на основе материалов с ППГ и ЦМД?

20. Что такое электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)?

21. Какое явление называется ядерным магнитным резонансом (ЯРМ)? Привидите условие его проявления.

22. Привидите области применения ЭПР и ЯМР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В учебном пособии рассмотрены диэлектрические материалы, широко используемые при изготовлении РЭС.

Учебное пособие излагается без рассмотрения глубоких физических процессов, протекающих в диэлектриках, и применения сложного математического аппарата, что изучается в дисциплине «Физико-химические основы микроэлектроники». Поэтому в учебном пособии основное внимание уделено особенностям структуры и свойств диэлектриков как материалов, влиянию на параметры внешних факторов: температуры, влажности, частоты и напряженности электрического поля; приведены также области применения диэлектриков.

В учебном пособии приводятся справочные таблицы, в которых кроме основных электрических параметров приведены физико-механические свойства наиболее применимых диэлектрических материалов. Эти справочные данные полезно знать как при изучении их студентами, так и при выборе наиболее эффективного материала для конкретного изделия при выполнении курсовых и дипломных проектов. В конце каждой главы приведены конкретные вопросы, которые позволят лучше усвоить материал при самостоятельном изучении дисциплины особенно студентам заочной формы обучения.

Содержание учебного пособия является частью дисциплины «Материаловедение и материалы радиоэлектронных средств» для студентов специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств». Материал, изложенный в нем, соответствует рабочей программе этой дисциплины.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Марголин В.И. Физические основы микроэлектроники: учебник/В.И.Марголин, В.А.Жабрев, В.А. Тупик,-М.:Издательский центр «Академия»,2008.-400с.

2. Бадаев А.С. Физические основы полупроводников и микроэлектронной техники: учеб. пособие/ А.С.Бадаев.-Воронеж: ВГТУ, 2009.-148с.

3. Чернышов А.В. Радиоматериалы. Ч.I:Оргонические и неоргонические материалы: учеб. пособие/А.В. Чернышов, А.С. Бадаев. – Воронеж: ВГТУ, 2007.-185с.

4. Чернышов А.В. Радиоматериалы. Ч.II:Оргонические и неоргонические материалы: учеб. пособие/А.В. Чернышов, А.С. Бадаев. – Воронеж: ВГТУ, 2008.-235с.

5. Павлов П.В. Физика твердого тела: учебник/П.В. Павлов, А.Ф.Хохлов.-3-е изд., стер.-М.:Высш.шк., 2000.494с.

6. Балашов Ю.С. Технологические операции в производстве РЭС: учеб. пособие/Ю.С. Балашов, А.С. Бадаев, В.П. Иевлев. – Воронеж: ВГТУ, 2006.-147с.

7. Чернышов А.В. Материаловедение в РЭС: учеб. пособие/А.В. Чернышов. Воронеж: ВГТУ, 2009.150с.

8. Иевлев В.М. Рост и структура конденсированных пленок: учеб. пособие/В.М.Иевлев, А.В.Бугаков, В.И. Трофимов.- Воронеж: ВГТУ, 2000.-386с.

9. Епифанов Г.И. Физика твердого тела:учеб. пособие/Г.И. Епифанов. 3-е изд., 2001.-279.

Оглавление

Введение				3
1	Микроэлектронные структуры и их строение			6
	1.1.	Виды химической связи		6
	1.2.	Основные свойства материалов, определяемые особенностями химических связей		18
	1.3.	Особенности структуры твердых тел		24
		1.3.1.	Кристаллические тела	27
		1.3.2.	Дефекты кристаллической решетки	42
		1.3.3.	Структура аморфных твердых тел	50
		1.3.4.	Структура тонких металлических пленок	68
		1.3.5.	Перспективные углеродные структуры	76
		1.3.6.	Проблема атомных радиусов	105
2	Механические свойства твердых тел			105
	2.1.	Деформация и механическое напряжение. Закон Гука		111
	2.2.	Пластическая деформация кристаллов		111
	2.3.	Прочность и разрушение твердых тел		116
3.	Тепловые свойства твердых тел			122
	3.1.	Нормальные колебания кристаллической решетки		122
		3.1.1.	Колебания в одномерной решетке	122
		3.1.2	Колебания трехмерной кристаллической решетки	125
		3.1.3.	Энергия нормальных колебаний. Фононы	129
	3.2.	Теплоемкость твердого тела		131
	3.3.	Тепловое расширение твердых тел		141
	3.4.	Теплопроводность твердых тел		149
	3.5	Диффузия в твердых телах		156
4	Основы зонной теории твердых тел			174
	4.1.	Волновые свойства электронов		174
	4.2.	Энергетические уровни электрона в изолированном атоме		177
	4.3.	Энергетический спектр электронов в кристалле		180
	4.4.	Эффективная масса электрона		192
	4.5.	Заполнение зон электронами у металлов, диэлектриков и полупроводников		198
5.	Физические свойства диэлектриков			203
	5.1.	Диэлектрическая проницаемость и виды поляризации диэлектриков		203
	5.2.	Электропроводность диэлектриков		210
	5.3.	Диэлектрические потери		215
	5.4.	Электрическая прочность		219
	5.5.	Сегнетоэлектрики		223
	5.6.	Пьезоэлектрики		227
	5.7.	Электреты		232
6.	Магнитные свойства твердых тел			237
	6.1.	Классификация твердых тел по магнитным свойствам		237
	6.2.	Природа ферромагнетизма		243
	6.3.	Процессы при намагничивании ферромагнетиков		251
	6.4.	Поведение ферромагнетиков в переменных магнитных полях		262
	6.5.	Ферриты		269
	6.6.	Тонкие магнитные пленки		270
	6.7.	Магнитный резонанс		283
Заключение				290
Библиографический список				291

Учебное издание

Бадаев Андрей Станиславович

Чернышов Александр Васильевич

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ