Азарко І І, Дутов А Г, Оджа В Б, Толстих П В, Янковський О Н Білоруський державний університет пр Незалежності, 4, м Мінськ, 220050, Білорусь e-mail: azarko @ bsuby

Анотація – Досліджено вплив умов синтезу мікрокристалічних порошків алмазу на процеси утворення парамагнітних дефектів Встановлено зменшення кількості одиночних атомів азоту, що знаходяться у вузлах решітки алмаза (ПЦ Р1) на порядок і більше в кристалах, синтезованих з додаванням бору в шихту

I                                       Введення

Поряд з технічним завданням синтезу великих структурно-досконалих монокрісталллов алмазу проблема впливу нанорозмірних металевих включень і обумовлених ними квантово-розмірних ефектів в алмазної матриці на фізичні властивості отриманих композиційних систем має величезне значення при розробці нових наукових напрямів наноелектроніки Так, в роботі [1] обговорюються перспективи створення твердотільних мазерів допомогою використання ефекту інверсії сигналів ЕПР одиночних атомів азоту, в положенні заміщення узельного атома решітки алмаза, обумовленого наявністю в найближчому Тетраедрично междоузлии до нього атома перехідного металу з нескомпенсіро-ванним магнітним моментом У даній роботі розглядається зміна парамагнітних властивостей кристалів алмазу при введенні феромагнітних домішок у кристаллизационную шихту та механізми їх агломерізаціі

II                               Основна частина

Порошок алмазів мікронних розмірів синтезували при тиску Р = 5,5 ГПа і температурі Т = 1620 К протягом 1 або 3 хвилин В якості каталізатора використовувався сплав Mn-Ni з додатковим введенням в шихту домішкових добавок магнію, титану, хрому, заліза і бору від 0,1 до 10%

У спонтанному процесі синтезу під час чергуються періодів росту і розчинення кристалів формувалася алмазна фаза з розміром зерна від 315/250 до <40 мкм. Як зазначалося раніше [2], при утворенні кубічної кристалічної решітки парамагнітний нікель і азот в положення заміщення атома вуглецю є визначальними точковими дефектами, тим самим визначаючи властивості електронно-спінової системи кристалів. Домішки чужорідних металевих атомів в кристалі можуть бути стоками власних точкових дефектів за рахунок формування домішкових преципитатов, які виявляються на етапі розпаду пересиченого твердого розчину кристал – каталізатор під дією напруг кристалічної решітки алмазу під час його росту.

Одразу слід зазначити, що домішкові добавки в шихті Сг або Fe, близькі за величиною атомного радіусу до іонів основного каталітичного складу (Mn-Ni), не вносять змін в процеси формування парамагнітних дефектів в синтезованих кристалах Мікропорошки, отримані не залежно від процентного вмісту хрому або заліза в шихті, мають характерне для кристалів утримання двох типів точкових дефектів: ПЦ Р1 з концентрацією N =

2,5 – 3,0 X 10′ ® спин / г і парамагнітного нікелю в кількості до 5х 10 ^ ^ спин / г, а також складні азотовмісні асоціати, домінуючі в спектрах ЕПР при великих потужностях НВЧ-випромінювання

Після введення металевого титану або магнію в шихту для синтезованих кристалів спостерігається зменшення загальної кількості ПЦ, причому в більш великих зразках даний процес йде інтенсивніше На малюнку 1 представлені залежності концентрації атомів нікелю, що знаходяться в тетраедричних междоузлиях, від розміру кристалів при зміні змісту титану в шихті Причому, спостерігається як зменшення інтенсивності, так і ширини лінії сигналів, відповідальних за дані дефекти Аналогічні криві спостерігаються і для мікропорошків, синтезованих з домішкою магнію в шихті

Рис 1 Залежності концентрації узельного нікелю від розміру кристалів алмазу, з різним вмістом титану в шихті: 1 – без домішки, 2-0,1% 3-7,5% 4-10%

Fig 1 Lattice-point Ni concentration dependence on the size of diamond crystals synthesized from the charge with different Ti content: 1- without admixture, 2-01 %, 3-75%, 4-10%

У дрібнозернистих кристалів {R < 40 мкм), вирощених з малою кількістю введеної добавки титану, кількість заміщених атомів нікелю майже на порядок нижче, ніж для кристалів з розміром зерна 200 мкм і вище. Раніше було виявлено асимптотическое зміна числа іонів узельного нікелю в кристалах від часу, після завершення початкової фази синтезу (1сін ~ 50 с) синтезу [2]. Періодичні коливання концентрації парамагнітного нікелю навколо слабо падаючого середнього значення зв'язувалися з сильною адсорбцііей останніх поверхнею нанокристалів при їх зростанні вже на початковому етапі синтезу в умовах малих пересичень. При подальшому періодично змінюють зростанні кристалів їх частковим розчиненням, а отже і збільшенням пересичення системи, концентрація домішки нікелю, вбудовують у вузли кристалічної решітки зменшується.

Для нейтралізації азотовмісних дефектів був вилолнен екслерімент ло введенню в кристалізаційний расллав неметаллического бору Як видно з малюнка 2, на лорядок менший вміст бору в шихті, лріводіт до значно більшого ефекту лодавленія формування в зразках ПЦ Р1

Рис 2 Залежності концентрації ПЦ Р1 в

зразках з різним вмістом домішки в реакційній ujuxme

Fig 2 The PC Ρ1 concentration \/s content of admixture in the reaction charge

Співвідношення ПЦ Ρ1 і для дрібнозернистих кристалів СА практично не змінюється із збільшенням вмісту Mg в шихті, а для кристалів з розмірами зерна від 250 мкм і вище кількість ларамаг-нітних нікелю швидше убуває ло порівнянні з зменшенням вмісту межузельного азоту

Можна лредлоложіть, що титан і магній, як і нікель, мають кристаллохимические лредлосилкі не вичавлюємо на поверхню кристалів під час їх росту і формувати не тільки асоціати, а використовуватися для побудови решітки кристала Швидше за все спостережуване зміна кількості парамагнітного нікелю в зразках повязано з тим, що вищевказані іони можуть розчинятися в кристалах алмазу, витісняючи або власні, або домішкові атоми з вузлів кристалічної решітки і тим самим змінюючи співвідношення основних парамагнітних дефектів Значне зменшення кількості ПЦ Р1 в кристалах, синтезованих з додаванням бору в шихту, повязане з активним розчиненням останнього в кристалічній решітці алмазу і утворення стійких звязків BN

III                                  Висновок

Як показали проведені дослідження, що не впливають на формування електронноспіновой системи мікропорошків алмазу кристаллохимические схожі до основного каталитическому складом домішкові атоми (Сг, Ре) При побудові решітки кристала зазвичай використовуються домішкові атоми з розмірами, незначно відрізняються від власних Однак, іони титану і магнію, що відрізняються за величиною атомного радіусу в два рази і більше від вуглецю, вносять суттєві зміни в дефектоутворення в процесі синтезу зокрема, зміна в кристалах концентрації парамагнітного нікелю Введення ж в каталітичний склад неметалевих бору вмістом менш 1% призводить до зменшення більш ніж на порядок кількості іонів азоту, що знаходяться в положенні заміщення атомів вуглецю

Робота виконана за підтримки Білоруського республіканського фонду фундаментальних досліджень (проект Ф06-198)

IV                           Список літератури

[1] Поклонський Н А, ЛапчукН М, Лапчук Т М Інвертований сигнал ЕПР містять азот дефектів у монокристалі синтетичного алмазу при кімнатній температурі / / Листи вЖЕТФ -2004 – T80, Вип 12 – С880-883

[2] А Г Дутов, В Б Шипило, В А Комар, І І Азарко,

Н В Шипило І Неорганічні матеріали -2003 – T39 -N4 -С1-4

PARAMAGNETIC PROPERTIES OF MICROCRYSTALLINE SYNTHETIC DIAMOND POWDERS

I I Azarko, A G Dutov, V B Odzhaev, P V Tolstykh, O N Yankovsky Belarusian State University Minsk, 220050, Belarus e-mail: azarko@bsuby

Abstract – The influence of the synthesis conditions of microcrystalline diamond powders on the processes of paramagnetic centers formation was studied It was established that the number of single nitrogen atoms placed in the diamond lattice points (PC P1) decreases by an order of magnitude in the crystals synthesized from the charge with boron admixture

I Introduction

The problem of nanosized metal insertion influence over the quantum-mechanical effects in diamond matrix and its physical properties is of a great importance in developing new scientific research trends of nanoelectronics

II                                        Main Part

Two series of diamond micropowder samples were synthesized under P = 55 GPa and T = 1620 К for 1 and 3 minutes respectively Alloy of Mn-Ni was used as a catalyst And Mg, Ti, Cr, Fe and В were used as additional admixtures to the charge in proportions from 01 to 10 % Diamond powders sized from 315/250 to <40 μm were formed in the process of spontaneous synthesis The paramagnetic centers concentration was estimated from the EPR-measurements on X-band Varian E- 112 spectrometer using standard technique It was estimated that two point defects took place in all the samples – paramagnetic centers of PI type and paramagnetic nickel There were some complex nitrogen-containing paramagnetic defects detected that dominated at high microwave emissive power The concentration of PC was found to be dependent on the size of diamond crystals, synthesis duration and the number of admixture atoms in the crystal

III                                       Conclusion

It was determined that crystalline and chemically similar admixture atoms (Cr, Fe) did not have any significant influence on electron-spin system of diamond micropowders At the same time Ti and Mn atoms (their radii being 2 and more times larger than those of carbon) brought some important changes to the defect formation in the synthesis, namely the number of paramagnetic nickel centers in the crystals

The work was supported by Belorussian Republican Foundation for Fundamental Research (Project F06-198)

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р