Khóa luận tốt nghiệp Tính chất thuận từ của màng kim cương CVD tinh thể bị chiếu xạ neutron và ủ ở nhiệt độ cao

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự ra đời của kim cương CVD mở ra tiềm năng ứng dụng của kim cương trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử và quang học. Màng kim cương được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học có kích thước trung bình lên tới 20cm [1] có thể được sử dụng làm cửa sổ quang học trong điều kiện khắc nghiệt (bức xạ cao, nhiệt độ cao áp suất cao), đế tản nhiệt trong các vi mạch, thiết bị điện tử thế hệ mới thay thế cho silic… Một trong những phương pháp xử lí kim cương là chiếu xạ nó. Bắn phá kim cương bằng các chùm tia neutron, ion hay electron đã được sử dụng. Kết quả là màu sắc, hình dạng kích thước và các tính chất vật lí của kim cương có thể bị thay đổi. Những biến đổi về cấu trúc và pha của vật liệu khi bị chiếu xạ đang là đề tài nhận được nhiều sự quan tâm trong giới nghiên cứu. Đặc biệt quan trọng là hiệu ứng vô định hình hóa vật liệu tinh thể khi bị chiếu xạ và sự phục hồi cấu trúc tinh thể khi ủ nhiệt (sự chuyển pha tinh thể-thủy tinh-tinh thể). Nghiên cứu những biến đổi xảy ra trong kim cương do chiếu xạ và ủ ở nhiệt độ cao ở các chế độ khác nhau cho phép thiết lập điều kiện ủ tối ưu làm phục hồi cấu trúc mạng tinh thể. Những nghiên cứu như vậy có thể được thực hiện bằng phương pháp cộng hưởng thuận từ điện tử (electron paramagnetic resonance EPR) nhờ độ nhạy cao của tín hiệu EPR với sự thay đổi môi trường cục bộ và động học spin của các hệ điện tử trong vật liệu. Nhằm nâng cao hiểu biết của bản thân về kim cương CVD, nên em đã chọn đề tài “Tính chất thuận từ của màng kim cương CVD tinh thể bị chiếu xạ neutron và ủ ở nhiệt độ cao” cho khóa luận tốt nghiệp của mình. 2. Mục tiêu nghiên cứu Tiến hành đề tài này, tôi nhằm đạt được mục tiêu sau đây: - Tìm hiểu về phương pháp tổng hợp, các tính chất cũng như ứng dụng của kim cương CVD. - Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của phương pháp EPR và các thông số của phổ EPR. - Phân tích phổ cộng hưởng thuận từ của mẫu kim kim cương CVD sau khi chiếu xạ và sau khi ủ. Trên cơ sở đó, kết luận về sự phục hồi của mẫu kim cương CVD bị chiếu xạ neutron trong quá trình ủ. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các tính chất thuận từ, tập trung phân tích tín hiệu EPR đo được. - Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu là kim cương CVD. 4. Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp phân tích, tổng hợp và hệ thống hóa lý thuyết. + Phương pháp thực nghiệm khoa học - phân tích phổ thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của khóa luận tốt nghiệp - Phân tích được phổ cộng hưởng thuận từ của kim cương CVD để rút ra được các đặc điểm của hệ thuận từ trong mẫu, thấy được sự biến đổi của chúng trong quá trình ủ. - Giúp sinh viên hiểu sâu sắc hơn một số lý thuyết đã được học trong học phần Cơ học lượng tử, Vật lý chất rắn... của chương trình đào tạo. - Đề tài là tài liệu tham khảo cho sinh viên và giảng viên ngành vật lý muốn tiếp cận phương pháp EPR và các phương pháp tổng hợp kim cương. 6. Cấu trúc của khóa luận: gồm 3 chương + Chương 1: Tổng quan lý thuyết. Chương này trình bày tổng quan lý thuyết về phương pháp tổng hợp kim cương CVD, tính chất vật lý và ứng dụng của kim cương, các sai hỏng trong kim cương CVD khi bị chiếu xạ neutron, phương pháp cộng hưởng thuận từ điện tử. + Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm. Chương này để cập đến các thiết bị thực nghiệm, mẫu đo được sử dụng trong đề tài. + Chương 3: Kết quả và thảo luận. Chương này trình bày các vấn đề sau: Phổ cộng hưởng thuận từ của kim cương CVD trước và sau chiếu xạ với các thông số cơ bản, ảnh hưởng của sự ủ nhiệt lên các đặc trưng của phổ tín hiệu EPR của kim cương CVD sau khi bị chiếu xạ neutron. Từ đó rút ra một số kết luận về sự phục hồi của mẫu sau quá trình ủ nhiệt và sự hình thành các cấu trúc đa nút khuyết trong điều kiện ủ đã cho.

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến cô giáo – TS NguyễnThị Thanh Bình người đã truyền cho em cảm hứng học tập và nghiên cứu khoa học,người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Em cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đến cô giáo – Ths Trần Ngọc Bích – là cô giáochủ nhiệm luôn chỉ dẫn, giúp đỡ cho em

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo trường Đại học QuảngBình, khoa Khoa học Cơ bản và các thầy cô trong tổ Vật lý đã luôn tạo điểu kiện giúp

đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp Đại học sư phạm Vật lý-K58-Trường Đại học Quảng Bình đã động viên tinh thần và giúp đỡ em rất nhiều trongsuốt thời gian học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Em kính chúc quý thầy giáo, cô giáo, gia đình, bạn bè sức khỏe và thành công!

Quảng Bình, tháng 06 năm 2020

Sinh viên

Nguyễn Thị Tuyết Nhung

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC KÍ TỰ VIẾT TẮT

A MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của khóa luận tốt nghiệp 2

6 Cấu trúc của khóa luận: gồm 3 chương 2

B NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 3

1.1 Tổng hợp kim cương CVD 3

1.2 Tính chất vật lý của kim cương 4

1.3 Các sai hỏng trong kim cương sau khi bị chiếu xạ neutron 6

1.4 Ứng dụng của kim cương 7

1.5 Hấp thụ cộng hưởng thuận từ điện tử 9

1.6 Sự bão hòa tín hiệu EPR 10

1.7 Các thông số cơ bản của phổ EPR 11

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 18

2.1 Thiết bị thực nghiệm 18

2.2 Mẫu đo 18

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 19

3.1 Phổ cộng hưởng thuận từ của kim cương CVD trước chiếu xạ và các thông số cơ bản 19

3.2 Phổ cộng hưởng thuận từ của kim cương CVD sau chiếu xạ và các thông số

cơ bản 19 3.3 Ảnh hưởng của sự ủ nhiệt lên các đặc trưng của phổ tín hiệu EPR của kim cương CVD sau khi bị chiếu xạ neutron 21

C KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ mô tả quá trình tổng hợp kim cương bằng phương pháp lắng 4

Hình 1.2 Sai hỏng dạng hai nút khuyết 7

Hình 1.3 Các sai hỏng dạng nhóm nút khuyết với 9, 11 và 13 nút khuyết 7

Hình 1.4 Sự tách mức năng lượng của electron phụ thuộc vào từ trường ngoài B 9

Hình 1.5 Tín hiệu EPR: 12

Hình 1.6 Phổ EPR; 1- dạng đường hấp thụ EPR và 2 – đạo hàm bậc nhất của nó 12

Hình 1.7 Phổ EPR dạng Lorentz: a- dạng đường hấp thụ EPR 14

Hình 1.8 Phổ EPR dạng Gauss: a - dạng đường hấp thụ EPR 14

Hình 3.1 Phổ tín hiệu của kim cương CVD trước chiếu xạ 19

Hình 3.2 Phổ tín hiệu EPR của kim cương CVD sau chiếu xạ 20

Hình 3.3 Liên kết lơ lửng trong các tâm S1 20

Hình 3.4 Sự phụ thuộc của biên độ tín hiệu đồng pha vào nhiệt độ ủ 21

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của biên độ tín hiệu vuông pha vào nhiệt độ ủ 21

Hình 3.6 Sự phụ thuộc của độ rộng phổ tín hiệu đồng pha vào nhiệt độ ủ 22

Hình 3.7 Sự phụ thuộc của độ rộng phổ tín hiệu vuông pha vào nhiệt độ ủ 22

Hình 3.8 Sự phụ thuộc của g của tín hiệu đồng pha vào nhiệt độ ủ 23

Hình 3.9 Sự phụ thuộc của g của tín hiệu vuông pha vào nhiệt độ ủ 23

Hình 3.10 Đồ thị phần trăm đường Gauss và Lorenzt của tín hiệu đồng pha 24

Hình 3.11 Đồ thị phần trăm đường Gauss và Lorenzt của tín hiệu vuông pha .24 Hình 3.12 Sự phụ thuộc của thời gian phục hồi spin-spin T2 vào nhiệt độ ủ của tín hiệu đồng pha 25

Hình 3.13 Sự phụ thuộc của thời gian phục hồi spin-mạng T1 vào nhiệt độ ủ của tín hiệu đồng pha 26

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tính chất của kim cương và một số vật liệu bán dẫn quan trọng 5

DANH MỤC CÁC KÍ TỰ VIẾT TẮT

temperature

Phương pháp dùng nhiệt độ và

áp suất cao

A MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Sự ra đời của kim cương CVD mở ra tiềm năng ứng dụng của kim cương trongnhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử và quang học Màng kim cương đượctổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học có kích thước trung bình lên tới20cm [1] có thể được sử dụng làm cửa sổ quang học trong điều kiện khắc nghiệt (bức

xạ cao, nhiệt độ cao áp suất cao), đế tản nhiệt trong các vi mạch, thiết bị điện tử thế hệmới thay thế cho silic…

Một trong những phương pháp xử lí kim cương là chiếu xạ nó Bắn phá kimcương bằng các chùm tia neutron, ion hay electron đã được sử dụng Kết quả là màusắc, hình dạng kích thước và các tính chất vật lí của kim cương có thể bị thay đổi.Những biến đổi về cấu trúc và pha của vật liệu khi bị chiếu xạ đang là đề tài nhận đượcnhiều sự quan tâm trong giới nghiên cứu Đặc biệt quan trọng là hiệu ứng vô định hìnhhóa vật liệu tinh thể khi bị chiếu xạ và sự phục hồi cấu trúc tinh thể khi ủ nhiệt (sựchuyển pha tinh thể-thủy tinh-tinh thể)

Nghiên cứu những biến đổi xảy ra trong kim cương do chiếu xạ và ủ ở nhiệt độcao ở các chế độ khác nhau cho phép thiết lập điều kiện ủ tối ưu làm phục hồi cấu trúcmạng tinh thể Những nghiên cứu như vậy có thể được thực hiện bằng phương phápcộng hưởng thuận từ điện tử (electron paramagnetic resonance EPR) nhờ độ nhạy caocủa tín hiệu EPR với sự thay đổi môi trường cục bộ và động học spin của các hệ điện

tử trong vật liệu

Nhằm nâng cao hiểu biết của bản thân về kim cương CVD, nên em đã chọn đề tài

“Tính chất thuận từ của màng kim cương CVD tinh thể bị chiếu xạ neutron và ủ ở nhiệt độ cao” cho khóa luận tốt nghiệp của mình.

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tiến hành đề tài này, tôi nhằm đạt được mục tiêu sau đây:

- Tìm hiểu về phương pháp tổng hợp, các tính chất cũng như ứng dụng của kimcương CVD

- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của phương pháp EPR và các thông số của phổEPR

- Phân tích phổ cộng hưởng thuận từ của mẫu kim kim cương CVD sau khi chiếu

xạ và sau khi ủ Trên cơ sở đó, kết luận về sự phục hồi của mẫu kim cương CVD bị

chiếu xạ neutron trong quá trình ủ.

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các tính chất thuận từ, tập trung phân tích tínhiệu EPR đo được

- Phạm vi nghiên cứu:

Phạm vi nghiên cứu là kim cương CVD

4 Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp phân tích, tổng hợp và hệ thống hóa lý thuyết

+ Phương pháp thực nghiệm khoa học - phân tích phổ thực nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của khóa luận tốt nghiệp

- Phân tích được phổ cộng hưởng thuận từ của kim cương CVD để rút ra đượccác đặc điểm của hệ thuận từ trong mẫu, thấy được sự biến đổi của chúng trong quátrình ủ

- Giúp sinh viên hiểu sâu sắc hơn một số lý thuyết đã được học trong học phần

Cơ học lượng tử, Vật lý chất rắn của chương trình đào tạo

- Đề tài là tài liệu tham khảo cho sinh viên và giảng viên ngành vật lý muốn tiếpcận phương pháp EPR và các phương pháp tổng hợp kim cương

6 Cấu trúc của khóa luận: gồm 3 chương

+ Chương 1: Tổng quan lý thuyết Chương này trình bày tổng quan lý thuyết

về phương pháp tổng hợp kim cương CVD, tính chất vật lý và ứng dụng của kimcương, các sai hỏng trong kim cương CVD khi bị chiếu xạ neutron, phương pháp cộnghưởng thuận từ điện tử

+ Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm Chương này để cập đến các thiết bị thực

nghiệm, mẫu đo được sử dụng trong đề tài

+ Chương 3: Kết quả và thảo luận Chương này trình bày các vấn đề sau:

Phổ cộng hưởng thuận từ của kim cương CVD trước và sau chiếu xạ với cácthông số cơ bản, ảnh hưởng của sự ủ nhiệt lên các đặc trưng của phổ tín hiệu EPR củakim cương CVD sau khi bị chiếu xạ neutron Từ đó rút ra một số kết luận về sự phụchồi của mẫu sau quá trình ủ nhiệt và sự hình thành các cấu trúc đa nút khuyết trongđiều kiện ủ đã cho

B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tổng hợp kim cương CVD

Hiện nay, có hai phương pháp chính để tổng hợp kim cương khối, đó là phươngpháp dùng nhiệt độ cao và áp suất cao HPHT (high pressure high temperature) vàphương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi (Chemical Vapor Deposition) Trongphương pháp HPHT các điều kiện để tổng hợp kim cương trong tự nhiên được tái tạo.Tuy nhiên, phương pháp tổng hợp ở áp suất và nhiệt độ cao chỉ cho phép kiểm soátviệc bổ sung tạp chất một cách hạn chế và kích thước của hạt kim cương cũng bị hạnchế Do đó, tổng hợp kim cương bằng phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi đãđược sử dụng để sản xuất các lát kim cương đủ lớn, có thể cắt thành các viên kimcương cỡ vài carat (1carat=0,2g)

Lắng đọng hơi hóa học là phương pháp mà kim cương có thể được phát triển từhỗn hợp khí hydrocacbon Từ đầu những năm 1980, phương pháp này đã trở thành chủ

đề của nghiên cứu chuyên sâu trên toàn thế giới Những lợi thế của sự tăng trưởng kimcương CVD bao gồm khả năng phát triển kim cương trên các khu vực rộng lớn và trêncác chất nền khác nhau, đặc biệt là kiểm soát tốt các tạp chất hóa học [2]

Sự tăng trưởng CVD liên quan đến việc chuẩn bị chất nền, cho lượng khí khácnhau vào một buồng và cung cấp năng lượng cho chúng Việc chuẩn bị chất nền baogồm chọn một vật liệu thích hợp, làm sạch nó, thường bằng bột kim cương để màimòn chất nền phi kim cương và tối ưu hóa ở nhiệt độ khoảng 800°C trong quá trìnhtăng trưởng thông qua một loạt các lần chạy thử Các khí luôn bao gồm một nguồncacbon, điển hình là metan và hydro

Tổng hợp kim cương bằng phương pháp lắng đọng hóa học từ pha khí là kỹ thuậtkhông đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cao vì sự tăng trưởng thường xảy ra ở áp suất dưới27kPa Hỗn hợp của H2 và CH4 được đưa vào buồng phản ứng có chứa đế Dưới tácđộng của sự nung nóng ở nhiệt độ cao hoặc của dòng plasma vi sóng các phân tử H2 bịphân li Các nguyên tử H tương tác với phân tử CH4 tạo thành góc metyl CH3- và hydrophân tử Cacbon trong các góc CH3- cuối cùng sẽ lắng đọng trên đế sắp xếp tạo thànhcấu trúc kim cương [3] (H1.1)

Hình 1.1 Sơ đồ mô tả quá trình tổng hợp kim cương bằng phương pháp lắng

đọng hoá học từ pha hơi [3]

Tổng hợp kim cương CVD được tiến hành trong điều kiện thuận lợi cho graphitehơn là kim cương do kim cương là pha bền của cacbon ở điều kiện nhiệt độ cao và ápsuất cao còn graphite là pha bền của cacbon ở nhiệt độ và áp suất thường (khí quyển).nhưng vẫn có thể thực hiện được là nhờ vai trò đặc biệt của hydro nguyên tử Cáchydro nguyên tử kết thúc bề mặt kim cương, duy trì cấu trúc của nó và hạn chế sự biếnđổi của nó thành graphite Vì vậy tổng hợp kim cương theo phương pháp này còn đượcgọi là quá trình tổng hợp giả bền (metastable process)

Nhìn chung, phương pháp CVD cho phép sản xuất sản xuất kim cương có kíchthước lớn hơn và giá thành thấp hơn so với phương pháp áp suất và nhiệt độ cao, đồngthời việc bổ sung tạp chất cũng được kiểm soát tốt hơn Vì vậy người ta có thể sảnxuất nhiều loại kim cương không màu và có màu như: màu hồng, xanh, nâu, thậm chí

cả kim cương màu đen

1.2 Tính chất vật lý của kim cương

Kim cương là một chất đặc biệt và rất dễ bị nhầm lẫn với một số chất khác nếuchỉ nhìn bề ngoài Bên cạnh được sử dụng làm đồ trang sức nó còn có nhiều tính chấtvật lý tuyệt vời mà người ta muốn khai thác như: tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện, nhiệt độ

nóng chảy, độ cứng, tính chất quang học…Dưới đây sẽ tìm hiểu một số tính chất cơbản của kim cương

Độ cứng: Kim cương là vật chất cứng nhất được tìm thấy trong tự nhiên, với độ

cứng là 10 trong thang độ cứng Mohs cho các khoáng vật Độ cứng của kim cươngphụ thuộc vào độ tinh khiết, sự hoàn hảo và định hướng của tinh thể

Khả năng chịu nén: Kim cương có cường độ năng suất nén 130 –140GPa Giá

trị đặc biệt cao này, cùng với độ cứng và độ trong của kim cương, là những lý do

mà các tế bào đe kim cương là công cụ chính cho các thí nghiệm áp suất cao

Tính dẫn điện: Một số kim cương xanh là chất bán dẫn tự nhiên, trái ngược với

hầu hết các viên kim cương, là chất cách điện tuyệt vời Độ dẫn điện và màu xanh lambắt nguồn từ tạp chất bo

Màu sắc: Kim cương có rất nhiều màu sắc: không màu, xanh dương, xanh lá,

cam, đỏ, nâu, tía, hòng, vàng và cả đen Kim cương màu chứa tạp chất hoặc khiếmkhuyết cấu trúc gây ra màu sắc, trong khi kim cương nguyên chất hoặc gần như tinhkhiết là trong suốt và không màu

Tính dẫn nhiệt: Kim cương có cấu trúc tinh thể được liên kết chặt chẽ với nhau nên khả năng dẫn điện gần như là hoàn hảo (900–2320W·m −1 ·K −1) Tính dẫn nhiệt tốtcủa kim cương chủ yếu là do phonon (các dao động của mạng tinh thể)

Tính chất quang học: Kim cương có khả năng tán sắc tốt, do có chiết suất biến

đổi nhanh với bước sóng ánh sáng Điều này giúp kim cương biến những tia sáng trắngthành những tia sáng màu sắc, tạo nên sức hấp dẫn riêng của trang sức kim cương Ngoài ra, kim cương còn có nhiều tính chất đặc biệt vượt trội so với các vật liệubán dẫn khác, như độ linh động của các hạt tải điện, điện trường đánh thủng, nhiệt độDebye, (xem bảng 1.1)

Bảng 1.1 Tính chất của kim cương và một số vật liệu bán dẫn quan trọng [4]

1.3 Các sai hỏng trong kim cương sau khi bị chiếu xạ neutron

Một trong những nghiên cứu đầu tiên về kim cương bị chiếu xạ neutron đã đượcthực hiện bởi Griffths [5], trong đó đã phát hiện thấy trong phổ cộng hưởng thuận từđiện tử của kim cương bị chiếu xạ một đường hấp thụ đẳng hướng với hệ số tách phổ(hệ số g) g = 2,0028±0,0006 Cường độ và độ rộng phổ tăng lên cùng với sự chiếu xạ,nhưng lại giảm sau khi ủ ở nhiệt độ 1000oC Độ rộng đường hấp thụ sau một thời giandài mẫu bị chiếu xạ là gần 10mT và giảm theo nhiệt độ gần hai lần khi thay đổi nhiệt

độ từ 90K đến 290K Các tác giả đã giả thiết rằng sự xuất hiện đường hấp thụ này là

do có mặt của các nút khuyết cacbon và các nguyên tử cacbon xen kẽ Khi nung nóngcác nguyên tử xen kẽ sẽ khuếch tán đến các nút khuyết và cường độ đường hấp thụgiảm

Khi ủ kim cương ở nhiệt độ 700oC nút khuyết trở nên linh động và tạo thành saihỏng dạng hai nút khuyết (H1.2)

Hình 1.2 Sai hỏng dạng hai nút khuyết

Khi tăng nhiệt độ ủ, sai hỏng hai nút khuyết biến mất và các sai hỏng đa nútkhuyết phức tạp hơn được tạo thành Ví dụ như, kết quả của quá trình ủ nhiệt ở cácnhiệt độ trong khoảng từ 600oC -1435oC các mẫu kim cương (có hàm lượng nitơ thấp)

bị chiếu xạ electron cho thấy sự xuất hiện của các tâm thuận từ với S = 1, đó là R5,O1, R6, R10, R11, KUL11, tương ứng với các chuỗi từ 3 đến 8 nút khuyết [6]

Một số sai hỏng dạng nhóm nút khuyết với 9, 11 và 13 nút khuyết được biểu diễntrên hình 1.3

Hình 1.3 Các sai hỏng dạng nhóm nút khuyết với 9, 11 và 13 nút khuyết 1.4 Ứng dụng của kim cương

Trong khoảng vài chục năm gần đây các nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng,kim cương nhờ vào sự kết hợp độc đáo các tính chất vật lý của nó, có thể trở thành mộtvật liệu tuyệt vời để chế tạo các thiết bị điện tử với các thông số cực trị, nếu như tồntại một phương pháp tổng hợp kim cương ở dạng các tấm hoặc màng lớn với nồng độthấp các sai hỏng và tạp chất và nếu như phương pháp đó đủ rẻ để chế tạo Ngày naycông nghệ nói trênđã ra đời – đó là sự lắng đọng màng tinh thể kim cương từ pha hơi.Kim cương nhân tạo có thể được sử dụng như vật liệu bán dẫn vì chúng có thểđược pha tạp bởi các tạp chất như photpho, bo Vì những nguyên tố này chứa ít hơnhoặc nhiều hơn một electron hóa trị so với cacbon, chúng biến kim cương tổng hợpthành các bán dẫn loại p hoặc loại n Một tính chất có lợi khác của kim cương tổnghợp đối với điện tử là độ linh động lớn của các hạt tải điện (đạt đến 4500cm2/Vs) đốivới electron trong kim cương CVD đơn tinh thể Độ linh động lớn thuận lợi đối vớicác transitor trường cao tần Độ rộng vùng cấm lớn của kim cương (5,5eV) cho nó các

tính chất điện môi tuyệt vời, kết hợp với độ bền cơ học cao nên chúng được sử dụngtrong các chuyển mạch mẫu công suất lớn cho các nhà máy điện [1].

Các transitor từ kim cương nhân tạo đã được chế tạo trong phòng thí nghiệm.Chúng làm việc ở nhiệt độ cao hơn rất nhiều so với silic, và bền dưới các tác động hóahọc và bức xạ Mặc dù transito từ kim cương vẫn chưa được đưa vào các mạch điện tửthương mại thành công, chúng hứa hẹn sẽ được sử dụng trong các trường hợp côngsuất cực lớn và môi trường ăn mòn [7]

Kim cương có độ dẫn nhiệt riêng lớn hơn của đồng khoảng 4 lần và là chất điệnmôi Vì vậy vật liệu này hiện nay trên thị trường được xem như là vật liệu cho các bộtản nhiệt, diode laser và các mạch tích hợp siêu cao tần nhỏ Các vi mạch được chế tạo

có tốc độ cao, do các thiết bị hoạt động trên đế kim cương có thể được lắp đặt tốt hơn

mà không bị làm quá nóng trong quá trình làm việc Đồng thời độ tin cậy của các vimạch trên đế kim cương là cao hơn so với vi mạch trên đế silic vì nhiệt độ truyền nhiệttrong các vi mạch trên đế kim cương là thấp hơn [7]

Các bức xạ ion hóa đi xuyên qua kim cương sinh ra các hạt tải điện tự do, chúng

có thể được thu lại ở các điện cực trên bề mặt Khi đó kim cương đóng vai trò như làmột buồng ion hóa rắn Giới hạn hấp thụ riêng của kim cương nằm trong vùng cực tím(225nm), vì vậy các máy dò trên cơ sở kim cương là nhạy hơn rất nhiều đối với bức xạcực tím so với ánh sáng nhìn thấy Điều này cho phép chế tạo các máy dò cực tím màkhông cần đến một bộ lọc quang học bổ sung nào Độ nhạy cao và tính chọn lọc phổcủa các máy dò quang như vậy được bảo đảm đến nhiệt độ 300oC Nhờ kích thước lớncác màng kim cương hứa hẹn được dùng để chế tạo các máy dò nhạy về vị trí của cáctia cực tím Kim cương với độ bền bức xạ cao có thể được sử dụng trong các máy dòcực tím trong không gian, dùng cho các nghiên cứu vũ trụ Kim cương CVD có thểdùng làm vật liệu cho các thiết bị dò các hạt năng lượng cao (hạt alpha, gamma,neutron)

Nhờ các tính chất quang học của nó kim cương bắt đầu được ứng dụng trong cácnút quang học, đặc biệt là ở vai trò màng bảo vệ đối với quang hồng ngoại trong cácđiều kiện môi trường không thuận lợi

Kim cương có độ cứng cao nên được ứng dụng trong cơ khí (các công cụ cắt,dao, dao mổ, các bộ phận chịu mài mòn trong các máy) Ứng dụng trong thông tin

lượng tử và trong máy tính lượng tử nhờ tâm sai hỏng điểm NV (nitơ-nút mạng khuyếtnguyên tử) trong mạng tinh thể kim cương.

1.5 Hấp thụ cộng hưởng thuận từ điện tử

Các tính chất từ của nguyên tử và phân tử được xác định bởi các momen từ củađiện tử cũng như của proton và neutron tham gia vào thành phần hạt nhân nguyên tử.Các momen từ của hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn momen từ của electron đáng kể, vì vậytính chất từ của vật chất đươc xác định chủ yếu bởi các momen từ của electron Tínhchất từ của electron trong nguyên tử được quy định bởi chuyển động quỹ đạo của nó(momen cơ quỹ đạo) và sự tồn tại của momen cơ riêng–spin của electron

Chúng ta hãy khảo sát vật chất chứa các nguyên tử hoặc phân tử có một electronkhông ghép đôi với momen từ riêng (momen từ spin) Đầu tiên hãy giả thiết rằngmomen quỹ đạo của electron bằng không (s-electron) Tương tác của một hệ như vậyvới từ trường không đổi gây ra sự tách mức năng lượng ra hai mức con tương ứng vớihai sự định hướng (song song và phản song song) của spin S=±1/2 đối với hướng của

từ trường Hiệu năng lượng của hai mức này ΔE bằng:

Qua một thời gian sau khi ta đặt từ trường, trạng thái cân bằng nhiệt sẽ được thiếtlập trong hệ spin Các mức con sẽ có mật độ cư trú tuân thủ phân bố Boltzmann và vìvậy:

exp( ) (1.2)

Trong đó, , là mật độ cư trú tương ứng ở mức năng lượng thấp hơn và mức

năng lượng cao hơn, T là nhiệt độ tuyệt đối

Ở nhiệt độ bình thường đại lượng gβB là nhỏ so với kT, nghĩa là 1 Vì

vậy có thể viết lại:

exp( ) 1 + (1.3)

Rõ ràng theo phương trình (1.3), có một sự dư thừa không lớn lắm các tâm thuận

từ ở mức năng lượng thấp hơn so với mức năng lượng cao hơn Nếu truyền bức xạđiện từ với tần số tương ứng qua một hệ như vậy thì năng lượng bức xạ đó sẽ bị hấpthụ bởi spin ở mức dưới và spin từ mức dưới sẽ chuyển lên mức cao hơn Hiện tượngnày được gọi là cộng hưởng thuận từ điện tử

1.6 Sự bão hòa tín hiệu EPR

Mô hình ở trên mô tả hệ các spin điện tử độc lập không tương tác với nhau đã bịrút gọn đi nhiều và trong giới hạn của nó sự hấp thụ bức xạ điện từ cộng hưởng khôngthể được giải thích hoàn toàn Trong quá trình mẫu hấp thụ năng lượng điện từ, sựchênh lệch dân cư của các mức năng lượng sẽ biến mất Điều này có nghĩa là, số lượngchuyển trạng thái từ dưới lên (sự hấp thụ) sẽ giảm, còn số chuyển trạng thái từ trênxuống (sự phát xạ) sẽ tăng Sau đó, dân số ở hai mức năng lượng sẽ cân bằng, số lượng

tử bị hấp thụ sẽ bằng số lượng tử bị phát xạ Kết quả là sự hấp thụ bức xạ không thểquan sát được

Để hiểu được tại sao trong điều kiện cộng hưởng hệ thuận từ vẫn hấp thụ năng

relaxation) Bản chất của hiện tượng này là các spin điện tử có thể trao đổi năng lượngvới nhau và tương tác với các nguyên tử, phân tử xung quanh nó Ví dụ như, trong tinhthể spin có thể truyền năng lượng của nó cho mạng tinh thể, trong chất lỏng spin có thểtruyền năng lượng cho các phân tử chất tan Trong mọi trường hợp, không phụ thuộcvào trạng thái kết cấu của vật chất, người ta nói rằng “spin tương tác với mạng”.(Thuật ngữ “mạng” trong cộng hưởng từ bao gồm tất cả các bậc tự do của hệ trongchuyển động nhiệt – phonon, spin có thể truyền rất nhanh năng lượng hấp thu đượccho chúng) Nhờ sự phục hồi không phát xạ nhanh chóng đó, tỉ lệ cân bằng nhiệt củadân cư các mức năng lượng kịp phục hồi lại, trong đó dân cư ở mức năng lượng thấplớn hơn dân cư ở mức năng lượng cao Vì vậy số lượng chuyển trạng thái từ mức cao

về mức thấp (sự phát xạ) sẽ vượt trội so với số chuyển trạng thái theo hướng ngược lại(sự hấp thụ) Nghĩa là tín hiệu hấp thụ cộng hưởng năng lượng bức xạ điện từ sẽ vẫnđược quan sát thấy

Tuy nhiên nếu thời gian sống của các spin điện tử ở trạng thái kích thích (trạngthái có mức năng lượng cao hơn) là đủ lâu, chúng không kịp trở về mức cơ bản đểphục hồi lại trạng thái cân bằng nhiệt Khi đó bắt đầu sự suy giảm tín hiệu hấp thụEPR Đó chính là hiện tượng bão hòa tín hiệu do thời gian sống của các tâm thuận từ(ở đây là spin điện tử)

1.7 Các thông số cơ bản của phổ EPR

Phổ học EPR liên quan đến dải vi sóng, nghĩa là bước sóng từ 1mm đến 30cm,tương ứng với lượng tử năng lượng có giá trị nhỏ hơn 4-5 lần so với lượng tử nănglượng chuyển electron thông thường trong phổ quang học Ở đây cần phải nhấn mạnhrằng, phổ EPR cũng như phổ hấp thụ và phát xạ ở những giải tần số khác của sóngđiện từ được đặc trưng bởi các thông số, như biên độ, cường độ, hình dạng và độ rộngđường phổ, cũng như hệ số tách mức năng lượng [8]

Biên độ tín hiệu: Tín hiệu EPR là đạo hàm bậc nhất của đường phổ hấp thụ.

Diện tích dưới đường hấp thụ tỉ lệ với nồng độ các hạt thuận từ trong mẫu đo Vậy,nồng độ các tâm thuận từ tỉ lệ với tích phân một lớp đối với đường hấp thụ hoặc tíchphân hai lớp đối với phổ EPR Nếu hai tín hiệu có cùng độ rộng phổ thì nồng độ tâmthuận từ tương quan với biên độ tín hiệu trong phổ hấp thụ

Hình 1.5 Tín hiệu EPR: a - sự phụ thuộc của sự hấp thụ sóng siêu cao tần vào

cảm ứng từ B b - đạo hàm bậc nhất của sự phụ thuộc này Các phổ kế EPR ghi đườngcong ở b

Độ rộng đường phổ EPR: Độ rộng đường hấp thụ trong phổ học là khoảng cách

giữa hai điểm hấp thụ nằm ở nửa độ cao của tín hiệu hấp thụ hoặc khoảng cách

giữa hai điểm uốn của đạo hàm bậc nhất của đường hấp thụ

Hình 1.6 Phổ EPR; 1- dạng đường hấp thụ EPR và 2 – đạo hàm bậc nhất của nó

Có hai loại tương tác cơ bản, gây ra sự mở rộng đáng quan tâm của đường cộng