Внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов
Определена концентрация дислокационных акцепторных центров (ДАЦ) из общего спектра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), обусловленного дефектами с примесным азотом и ненасыщенными углеродными связями. Установлено, что концентрация ДАЦ возрастает с повышением температуры спекания поликристалл...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Физика и техника высоких давлений |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69434 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов / С.Н. Самсоненко // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 81-86. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-69434 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-694342014-10-14T03:01:40Z Внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов Самсоненко, С.Н. Определена концентрация дислокационных акцепторных центров (ДАЦ) из общего спектра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), обусловленного дефектами с примесным азотом и ненасыщенными углеродными связями. Установлено, что концентрация ДАЦ возрастает с повышением температуры спекания поликристаллических алмазных компактов (ПАК). При температурах выше 1870 K концентрация ДАЦ убывает, а электрическая проводимость увеличивается. Предполагается, что на дислокационную проводимость ПАК накладывается иной механизм. Это может быть фрактальный механизм, обусловленный порами с проводящим графитом. Визначено концентрацію дислокаційних акцепторних центрів (ДАЦ) із спільного спектру електронного парамагнiтного резонансу (ЕПР), обумовленого дефектами з домішковим азотом і ненасиченими вуглецевими зв'язками. Встановлено, що концентрація ДАЦ збільшується із зростанням температури спiкання поликристалiчних алмазних компактів (ПАК). При температурах вище 1870 K концентрація ДАЦ убиває, а електрична провідність збільшується. Передбачається, що на дислокаційну електричну провідність ПАК накладається інший механізм. Це може бути фрактальний механізм, обумовлений порами з електропровідним графітом. The concentration of the dislocation acceptor centers (DAC) was defined from a common electron paramagnetic resonance (EPR) spectrum conditioned by defects with nitrogen impurity and by non-saturated carbon bonds. It was established that the concentration of the DAC’s increases with the growth of the sintering temperature of polycrystalline diamond compacts (PDC). At the temperature higher than 1870 K, DAC’s concentration decreases and electrical conductivity increase. It was assumed that another mechanism superimposes the dislocation conductivity of PDC. It may be the fractal mechanism conditioned by pores with conductive graphite. 2011 Article Внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов / С.Н. Самсоненко // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 81-86. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 61.72.Hh, 61.72.Lk http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69434 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Определена концентрация дислокационных акцепторных центров (ДАЦ) из общего спектра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), обусловленного дефектами с примесным азотом и ненасыщенными углеродными связями. Установлено, что концентрация ДАЦ возрастает с повышением температуры спекания поликристаллических алмазных компактов (ПАК). При температурах выше 1870 K концентрация ДАЦ убывает, а электрическая проводимость увеличивается. Предполагается, что на дислокационную проводимость ПАК накладывается иной механизм. Это может быть фрактальный механизм, обусловленный порами с проводящим графитом. |
| format |
Article |
| author |
Самсоненко, С.Н. |
| spellingShingle |
Самсоненко, С.Н. Внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов Физика и техника высоких давлений |
| author_facet |
Самсоненко, С.Н. |
| author_sort |
Самсоненко, С.Н. |
| title |
Внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов |
| title_short |
Внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов |
| title_full |
Внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов |
| title_fullStr |
Внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов |
| title_full_unstemmed |
Внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов |
| title_sort |
внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| publishDate |
2011 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69434 |
| citation_txt |
Внутреннее строение и электронный парамагнитный резонанс поликристаллических алмазных компактов / С.Н. Самсоненко // Физика и техника высоких давлений. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 81-86. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| series |
Физика и техника высоких давлений |
| work_keys_str_mv |
AT samsonenkosn vnutrenneestroenieiélektronnyjparamagnitnyjrezonanspolikristalličeskihalmaznyhkompaktov |
| first_indexed |
2025-07-05T19:00:44Z |
| last_indexed |
2025-07-05T19:00:44Z |
| _version_ |
1836834666330456064 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2
© С.Н. Самсоненко, 2011
PACS: 61.72.Hh, 61.72.Lk
С.Н. Самсоненко
ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ
РЕЗОНАНС ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ КОМПАКТОВ
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры
ул. Державина, 2, г. Макеевка, 86123, Донецкая обл., Украина
E-mail: snsamsonenko@mail.ru
Определена концентрация дислокационных акцепторных центров (ДАЦ) из общего
спектра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), обусловленного дефектами с
примесным азотом и ненасыщенными углеродными связями. Установлено, что кон-
центрация ДАЦ возрастает с повышением температуры спекания поликристалличе-
ских алмазных компактов (ПАК). При температурах выше 1870 K концентрация ДАЦ
убывает, а электрическая проводимость увеличивается. Предполагается, что на дис-
локационную проводимость ПАК накладывается иной механизм. Это может быть
фрактальный механизм, обусловленный порами с проводящим графитом.
Ключевые слова: поликристаллические алмазные компакты, ЭПР, дислокация,
электрическая проводимость, дислокационные акцепторные центры
1. Введение
В настоящее время в электронике ПАК применяются в качестве теплоот-
водов, что очень важно для силовой электроники, СВЧ и компьютерной тех-
ники. На основе ПАК разрабатываются резисторы со стабильными линей-
ными характеристиками. Однако современную электронику интересуют и
нелинейные резисторы с симметричными вольт-амперными характеристи-
ками (ВАХ) для управления импульсами напряжения различной полярности.
Их роль выполняют варисторы, создаваемые на основе оксидов и карбидов
различных элементов, но наличие в них ионов приводит к быстрому старе-
нию и деградации при разрядах, которые разогревают материал и выводят
их из строя. На этом основании ПАК представляют интерес для электронной
техники, так как они состоят из ковалентного вещества – алмаза, который
обладает большой теплопроводностью и высоким напряжением пробоя.
Поскольку образцы ПАК изготавливают путем спекания алмазных частиц
при высоких (1270–2070 K) температурах и под действием высоких (5–10 GPa)
давлений, алмазные частицы подвергаются пластической деформации [1]. Это
приводит к образованию в них большого количества дислокаций, которые в
полупроводниковых алмазах типов IIb и Ic формируют их электронные свой-
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2
82
ства [2,3]. Поэтому в соответствии с [4,5] мы провели для алмаза расчет энерге-
тического спектра дислокаций с краевой компонентой [6]. В этой работе уста-
новлено, что дислокации образуют свою подсистему энергетических уровней,
расположенных в запрещенной зоне так называемого алмаза-матрицы и лока-
лизованных вдоль осей дислокаций. Получены разрешенные уровни энергии,
обусловленные электронами на растянутых углеродных связях в ядре дислока-
ций, поперечное сечение которого примерно определяется радиусом r0 ≈ 10 Å.
Периодичность расположения атомов углерода внутри указанного сечения ядра
отсутствует, но сохраняется вдоль осей дислокаций. Последнее приводит к
трансформации отдельных дислокационных уровней в разрешенные дислока-
ционные полосы энергий. Кроме этого, ненасыщенные углеродные связи в ядре
дислокаций с краевой компонентой согласно Шокли образуют электрически
активные центры акцепторного типа, которые мы назвали дислокационными
акцепторными центрами. Они одновременно являются парамагнитными цен-
трами с g-фактором в интервале значений 2.0026–2.0040 [7,8].
Так как при изготовлении компактов возникают дислокации, образующие
парамагнитные ДАЦ, они доступны изучению методом ЭПР.
В настоящей работе проводится исследование ЭПР от ненасыщенных уг-
леродных связей в ПАК и определена доля ненасыщенных углеродных свя-
зей, образующих ДАЦ, которые ответственны за формирование электрон-
ных свойств алмазной керамики.
2. Техника эксперимента и полученные результаты
Поликристаллические алмазные компакты изготавливали из алмазного
порошка, синтезированного из графита. Для получения различных групп об-
разцов использовали алмазный порошок с размерами частиц 3/2, 14/10, 28/20
и (3/2 + 28/20) µm, который после обдавливания при комнатной температуре
спекали при температурах 1470, 1670, 1870 и 2070 K и давлении 5.5 GPa.
Изготовленные образцы имели цилиндрическую форму диаметром 3–3.5 mm
и высотой 2–3 mm.
После спекания образцы механически очищали путем шлифования алмаз-
ным порошком с размерами частиц 1/0 µm, после чего их кипятили в хлорной
кислоте в течение 6 h, промывали дистиллированной водой и просушивали.
В работе использовали стандартные ЭПР-спектрометры РЭ1301 и ПС-100Х.
Запись спектров ЭПР проводили при комнатной температуре. Образцы для
ЭПР-исследований представляли собой фрагменты ПАК. После взвешива-
ния образцов рассчитывали количество спинов на 1 g.
В качестве реперных сигналов использовали 3 и 4 компоненты сверхтон-
кой структуры спектра ЭПР от ионов марганца в окиси магния.
На рис. 1,а приведен спектр ЭПР одного из образцов ПАК. Он состоит из
спектра ЭПР от дефектов с примесным азотом, включающего три компонен-
ты сверхтонкой структуры на ядрах азота (I = ±1 и I = 0), и спектра ЭПР от
ненасыщенных углеродных связей [9,10]. На рис. 1,б представлен спектр
ЭПР только от ненасыщенных углеродных связей.
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2
83
H
10 Oe
dH
dχ||
4Mn++3Mn++
H
10 Oe
dH
dχ||
4Mn++3Mn++
а б
Рис. 1. Спектры ЭПР в образцах ПАК: а – от дефектов с примесным азотом и от
ненасыщенных углеродных связей, б – только от ненасыщенных углеродных связей
Методом дифракции рентгеновских лучей была определена плотность
дислокаций в образцах ПАК [2,11]. В таблице приведена зависимость плот-
ности дислокаций в образцах ПАК, изготовленных из алмазного порошка с
размером частиц 3/2 µm, от температуры спекания.
Таблица
Зависимость параметров ПАК от температуры спекания
Температура
спекания, K
Плотность
дислокаций,
cm–2
Общая концен-
трация спинов,
не связанных с
азотом, cm–3
Концентрация
ДАЦ, cm–3
Отношение кон-
центрации ДАЦ к
общему содержа-
нию спинов
300
(обдавливание) 6·1010 – 3.2·1017 –
1470 1.1·1011 1.2·1019 4.4·1017 0.04
1670 3.2·1011 2.1·1019 1.3·1018 0.06
1870 5.7·1011 2.4·1019 2.3·1018 0.09
2070 6.5·1011 2.6·1019 2.6·1018 0.1
3. Обсуждение результатов
Образцы ПАК имеют сложное строение. Они состоят из случайно ориен-
тированных в пространстве макроскопических кристаллитов. Каждый кри-
сталлит представляет собой мозаичный монокристалл, состоящий из блоков
мозаики с размерами примерно от 100 до 600 Å. Эти блоки из-за малой ани-
зотропии алмаза являются областями когерентного рассеяния, размеры ко-
торых также определяли по результатам рентгенодифракционных исследо-
ваний ПАК.
Границы между блоками мозаики состоят из рядов дислокаций. В алмазе
наиболее устойчивы к нагреву частичные 60-градусные дислокации с самой
большой энергией Пайерлса–Набарро. Такие дислокации в веществах со
структурой алмаза образуют, как правило, ДАЦ, которые одновременно яв-
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2
84
ляются парамагнитными центрами. Этот факт очень важен при изучении
электронных свойств ПАК.
Но синтетические алмазы, из которых изготавливают компакты, содержат
большое количество так называемых «азотных» парамагнитных центров. Их
спектр ЭПР, имеющий g = 2.0024 [9], накладывается на спектр ЭПР от нена-
сыщенных углеродных связей в ядре дислокаций. Поэтому в работе [10] бы-
ло показано, что большая часть «азотных» центров была скомпенсирована
путем введения в исходную шихту примесного алюминия (~ 1%). В резуль-
тате в отдельных кристалликах был получен спектр ЭПР от «азотного» цен-
тра с очень узкой (~ 0.3 Oe) линией и известным g-фактором. Из этих алма-
зов были отобраны образцы и пластически деформированы в камере высо-
ких давлений при температурах и давлениях, близких к условиям образова-
ния ПАК. В результате такой деформации в отдельных кристалликах поя-
вился новый спектр с шириной линии 2–3 Oe. Он наложился на «азотный»
спектр ЭПР. По значению его g-фактора был определен g-фактор ненасы-
щенных углеродных связей: g = 2.0027 ± 0.0005 [9].
Спектр ЭПР от ненасыщенных углеродных связей также является слож-
ным, он состоит из спектров ЭПР от ненасыщенных связей в ядрах дислока-
ций и в межкристаллитных границах. В настоящей работе проводится разде-
ление сигналов ЭПР от ДАЦ и от межкристаллитных границ.
На основе результатов исследования анизотропии вторых моментов фор-
мы линии от парамагнитных ДАЦ в природных полупроводниковых алмазах
типа Ic было устаноaвлено, что расстояние между парамагнитными центра-
ми вдоль кристаллографических осей 〈110〉 составляет 20–30 Å, а эти на-
правления совпадают с осью 60-градусных дислокаций. Оценка показала,
что на дислокации длиной 1 cm может располагаться ~ 4·106 ДАЦ. Умно-
жив это значение на плотность дислокаций, возникающих при температурах
спекания ПАК, находим приближенное значение концентрации ДАЦ для
каждой температуры спекания (таблица).
Из таблицы и рис. 2 видно, что
отношение концентрации парамаг-
нитных ДАЦ к общей концентрации
спинов при температурах спекания
до 1870 K в ПАК указывает на дис-
локационную электрическую прово-
димость. Начиная с температуры
~ 1900 K рост концентрации ДАЦ
замедляется до температур 2070 K и
выше, а электропроводность про-
должает расти (уменьшается удель-
ное сопротивление образцов). Со-
гласно [12,15] при температурах вы-
ше ~ 2200 K происходит внутренняя
Рис. 2. Зависимость общей концентра-
ции спинов от ненасыщенных углерод-
ных связей при различных температу-
рах спекания ПАК
1.4 1.6 1.8 2.0
1.0
1.5
2.0
2.5
N
S, 1
019
sp
in
/g
T, 103 K
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2
85
графитизация, образуется фрактальная структура ПАК: графитизированные
поры, вставленные в изолирующую матрицу алмаза. Это приводит к тому,
что в области высоких температур к дислокационной проводимости добав-
ляется фрактальная [13,14]. В этом случае электропроводность слабо зави-
сит от плотности дислокаций, а увеличивается за счет перехода к фракталь-
ному режиму проводимости.
4. Заключение
В результате проведенной работы установлено, что:
– в ПАК концентрация парамагнитных ДАЦ составляет 0.04–0.1 от обще-
го числа парамагнитных центров;
– плотность дислокаций возрастает с повышением температуры спекания
образцов ПАК от 1470 до 1870 K;
– в интервале температур спекания от 1870 до 2470 K рост концентрации
ДАЦ замедляется при увеличении электропроводности ПАК, что может
быть обусловлено наложением на дислокационную проводимость фракталь-
ного механизма проводимости.
Таким образом, для управления механизмом формирования дислокаци-
онной проводимости образцов ПАК алмазные порошки следует спекать в
интервале температур от 1470 до 1870 K.
Автор выражает благодарность за помощь и поддержку в работе Н.Д. Сам-
соненко, Н.И. Носанову, В.В. Каширину.
1. Физические свойства алмаза. Справочник, Н.В. Новиков (ред.), Наукова думка,
Киев (1987).
2. N.D. Samsonenko, Z.I. Kolupaeva, S.N. Samsonenko, V.N. Varyukhin, J. Phys.:
Condens. Matter 18, 5303 (2006).
3. A.R. Lang, in: The Properties of Diamond, J.E. Field (ed.), Academic Press, London,
NY, San Francisco (1979).
4. В.Л. Бонч-Бруевич, В.Б. Гласко, ФТТ 3, 36 (1961).
5. I. Alstrup, S. Marklund, Phys. Status Solidi B80, 301 (1977).
6. Оптическая спектроскопия и электронный парамагнитный резонанс примесей
и дефектов в алмазе, ИСМ АН УССР, Киев (1986).
7. M.D. Bell ,W.J. Leivo, J. Appl. Phys. 38, 337 (1967).
8. С.Н. Самсоненко, Н.Д. Самсоненко, Вісник Донецького державного
університету, Сер. А: Природничі науки вип. 1, 78 (2010).
9. W.V. Smith, P.P. Sorokin, S.L. Gelles, C.J. Lacher, Phys. Rev. 115, 1546 (1959).
10. В.Н. Варюхин, Н.Д. Самсоненко, В.И. Тимченко, С.Н. Самсоненко, И.В. Сель-
ская, ФТВД 11, № 2, 7 (2001).
11. N.D. Samsonenko, S.N. Samsonenko, Z.I. Kolupaeva, Functional Materials 14, 212
(2007).
Физика и техника высоких давлений 2011, том 21, № 2
86
12. Синтез сверхтвердых материалов, Н.В. Новиков (ред.), Наукова думка, Киев
(1987), т. 1.
13. А.А. Снарский, К.В. Слипченко, И.В. Безсуднов, Письма в ЖТФ 23, № 24, 35
(1997).
14. А. Дзедзиц, А.А .Снарский, С.И. Буда, ЖТФ 70, вып. 3, 48 (2000).
15. А.А. Шульженко, В.А. Шишкин, А.А. Бочечка, Поликристаллические материалы
на основе алмаза, Наукова думка, Киев (1986).
C.М. Самсоненко
ВНУТРІШНЯ СТРУКТУРА І ЕЛЕКТРОННИЙ ПАРАМАГНIТНИЙ
РЕЗОНАНС ПОЛIКРИСТАЛIЧНИХ АЛМАЗНИХ КОМПАКТІВ
Визначено концентрацію дислокаційних акцепторних центрів (ДАЦ) із спільного
спектру електронного парамагнiтного резонансу (ЕПР), обумовленого дефектами з
домішковим азотом і ненасиченими вуглецевими зв'язками. Встановлено, що кон-
центрація ДАЦ збільшується із зростанням температури спiкання поликриста-
лiчних алмазних компактів (ПАК). При температурах вище 1870 K концентрація
ДАЦ убиває, а електрична провідність збільшується. Передбачається, що на дисло-
каційну електричну провідність ПАК накладається інший механізм. Це може бути
фрактальний механізм, обумовлений порами з електропровідним графітом.
Ключові слова: поликристалiчнi алмазнi компакти, ЕПР, дислокація, електрична
провідність, дислокаційнi акцепторнi центри
S.N. Samsonenko
INTERNAL STRUCTURE AND ELECTRON PARAMAGNETIC
RESONANCE OF POLYCRYSTALLINE DIAMOND COMPACTS
The concentration of the dislocation acceptor centers (DAC) was defined from a common
electron paramagnetic resonance (EPR) spectrum conditioned by defects with nitrogen
impurity and by non-saturated carbon bonds. It was established that the concentration of
the DAC’s increases with the growth of the sintering temperature of polycrystalline dia-
mond compacts (PDC). At the temperature higher than 1870 K, DAC’s concentration de-
creases and electrical conductivity increase. It was assumed that another mechanism su-
perimposes the dislocation conductivity of PDC. It may be the fractal mechanism condi-
tioned by pores with conductive graphite.
Keywords: polycrystalline diamond compacts, EPR, dislocation, electrical conductivity,
dislocation acceptor centers
Fig. 1. EPR spectra in PDC samples: a – generated by defects with nitrogen impurity, б –
generated only by the broken carbon bonds
Fig. 2. The dependence of the total spin concentration on the broken carbon bonds at
various temperatures of the PDC sintering
|