4.3. Исследование спиновых центров в образцах a-Si:h и a-Si1-X Cx:h

В качестве объекта исследования используются образцы аморфного карбида кремния переменного состава a-Si_1-xC_x:H (x=00.3), полученные методом CVD в тлеющем разряде.

В данном упражнении необходимо выполнить следующие измерения.

1. Получить серию зависимостей для всех исследуемых пленок a-Si_xC_x-1:H. Для этого прописать спектры ЭПР при следующих значениях мощности в децибеллах: 1, 5, 10, 15, 20, 25 и 30. Построить график . Определить, в каком интервале значений микроволновой мощности отсутствует насыщение для каждого из образцов.

2. Положив в ампулу с a-Si_xC_x-1:H с и выбрав значение P, при котором сигнал ЭПР не насыщается ни для одного из образцов, прописать спектры ЭПР для всех исследуемых образцов.

3. Получить спектр ЭПР эталона концентраций . При этом следует учесть, что параметры спектра ЭПР для эталона и условия эксперимента (месторасположение образца в резонаторе и температура измерения) должны быть выбраны по возможности такими же, как и для исследуемого образца. Если какие-либо параметры спектра ЭПР не удается выбрать одинаковыми, необходимо произвести перерасчет данных эксперимента, умножив или разделив спектр эталона на соответствующие коэффициенты. Отметим, что интенсивность линии в спектре ЭПР во всем диапазоне значений зависит линейно от амплитуды модуляции, коэффициента усиления и корня из микроволновой мощности (в отсутствие насыщения).

4. По спектрам, полученным в п.п. 2, и 3 определить следующие параметры: 1) ширину линии ЭПР, 2) g-фактор (используя сигнал от ионов Mn⁺⁺, рассчитать по формуле (34)), 3) концентрацию дефектов.

Примечания:

1. Методика расчета концентрации спиновых центров приведена в Приложении.

2. Абсолютная концентрация спинов в эталонном образце составляет (6.00.2)*10¹⁸.

4.4. ЭПР-спектроскопия пористого кремния

В работе исследуются пленки пористого кремния, окисленные химически, например, путем выдержки образцов в парах NO₂.

Порядок выполнения упражнения.

1. Получить серию зависимостей для окисленного пористого кремния в вакууме. Для этого прописать спектры ЭПР при следующих значениях микроволновой мощности в децибеллах: 2, 5, 10, 15, 20 и 25. Построить график . Определить, в каком интервале значений микроволновой мощности отсутствует насыщение.

2. Положив в ампулу с исследуемым образцом с и выбрав значение Р, при котором сигнал ЭПР не насыщается, прописать спектр ЭПР.

3. Выбрав значение Р, при котором сигнал ЭПР не насыщается, прописать спектр ЭПР при различных ориентациях поверхности пленки и направления магнитного поля:

4. H поверхности пленки пористого Si;

5. H составляет угол 45⁰ с поверхностью пленки пористого Si;

6. H  поверхности пленки пористого Si.

7. Прописать спектр ЭПР с учетом рекомендаций упражнения 4.3.

8. По полученным спектрам ЭПР определить g-фактор, ширину линии и концентрацию спиновых центров (см. п.4.2 и Приложение).

Приложение. Методика расчета концентрации спиновых центров

В качестве примера рассмотрим расчет концентрации спиновых центров в образце с использованием стандартной графической программы “Origin”. Аналогичные рассуждения справедливы для любой другой программы как стандартной, так и написанной самостоятельно. Используя рекомендации п.2.3, экспериментальные данные представляются в виде таблицы из двух столбцов A(x) (магнитное поле) и B(y) (интенсивность сигнала ЭПР) и/или графически. Для расчета нам потребуется два спектра: от эталонного образца CuCl₂·2H₂O и от исследуемого (например, окисленного пористого кремния). Начнем с эталона. Сначала необходимо проверить, совпадает ли уровень шума в спектре с нулевым уровнем. Если нет, измерить курсором величину, на которую сдвинут спектр ЭПР по отношению к нулевой линии y = 0, и вычесть ее из столбца B(y), предварительно выделив его и используя операцию Set Column Values. Затем добавить в таблицу данных еще один столбец C(y) (для этого воспользоваться правой клавишей мыши и операцией Add New Column). Скопировать в него содержимое столбца B(y). После этого, используя опять операцию Set Column Values, задать в командной строке операцию интегрирования: . Причем нумерация порядкового индекса i должна начинаться с двух (i = 2...4096). В результате интегрирования первой производной линии поглощения (столбец B(y)), мы получим саму кривую поглощения ЭПР (столбец C(y)). Далее, задав курсором начало и конец интегрирования на графике, осью х которого является столбец A(x), а осью y столбец C(y), и выбрав операцию интегрирования в строке меню Analysis/Calculus/Integrate, получим численное значение S_эт, представляющее собой площадь под кривой поглощения эталонного образца. Аналогичную операцию необходимо проделать со столбцами данных исследуемого образца. В результате получим численное значение S_x площади под кривой поглощения исследуемого образца. Далее, используя очевидное соотношение: , получим выражение для абсолютной концентрации спиновых центров исследуемого образца : . Напомним, что абсолютная концентрация спиновых центров в эталоне составляет . Абсолютная концентрация спинов, как уже отмечалось (см п.1.4), малоинформативна. Поэтому необходимо пересчитать полученное значение либо на единицу массы, либо на единицу объема или площади поверхности, т.е. N_x будет, соответственно, равно:

.

* * *

Авторы выражают благодарность Осминкиной Л.А. и

Силоч А.Ю. за помощь в компьютерном наборе данного учебного пособия.