Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведены исследования объемных кристаллов GaSe:Mn методами ЭПР и ОДМР. Установлен основной центр, состоящий из пары Mn-Mn, замещающей ковалентно связанную пару Ga-Ga внутри квазимонослоя. В образцах наблюдались два типа центров с S=2 и параметрами тонкой структуры: D(I) = 0.5100 см^(−1) и D(II) = 0.4683 см^(−1) и три типа одиночных ионов Mn2+ и параметрами тонкой структуры с g ≈ 2.0 и S = 5/2 в разных позициях: типа I и типа II: D1(Mn2+)= -70 мТл и D2(Mn2+)= -48 мТл. Методом сканирующей NV спектроскопии были исследованы природные алмазы и их скрытокристаллические формы (карбонадо). Получено микронное изображение и проведена диагностика алмазов различного происхождения с использованием NV-центров в качестве зонда. Природные пластически деформированные кристаллы, карбонадо, обработанный кристалл типа IIa и спеченный компакт исследовались с помощью фотолюминесцентной (ФЛ) и оптически детектируемой магнитно-резонансной (ОДМР) спектроскопии на основе сканирующего конфокального микроскопа. В спектрах ОДМР наблюдалось существенное изменение расщепления центральной линии ОДМР, характеризующей локальные напряжения и деформации в точке локализации NV- центра. Сканирование сигналов ФЛ показало, что в природных кубических кристаллах NV центры сосредоточены в плоскостях деформационного скольжения. Это свидетельствует об их образовании в результате высокотемпературной посткристаллизационной пластической деформации. Алмазные скрытокристаллические агрегаты из кимберлитовых месторождений Сибири состоят из зерен микронных размеров (менее 20 мкм). В них измерялись напряжения и деформации по расщеплению центральных линий ОДМР. Проводились исследования методом ЭПР вакансионных комплексов в природном кристалле алмаза, при комнатной температуре на частоте 9,4 ГГц. Установлено, что в спектрах ЭПР доминируют центры R1, R5, O1, R6, R10, R11 и KUL11, которые происходят из (110) цепочек из трех, четырех, пяти, шести, семи и восьми вакансий, соответственно. Эффективный спин определяется как S=1 для R1, R5, O1 и R6 и предполагается равным 1 для других центров. Знак D для этих центров предполагается отрицательным. Интерес к металлооксидным соединениям, в том числе к оксиду галлия Ga2O3, вызван большими возможностями их использования в приборостроении. Ионы переходных металлов могут вводиться в кристалл специально или они могут образовываться как неконтролируемая примесь в процессе роста из-за их наличия в исходной матрице. Одним из наиболее информативных методов идентификации ионов переходных металлов в различных зарядовых состояниях в полупроводниках являются методы ЭПР и двойного электронно-ядерного резонанса (ДЭЯР). Были зарегистрированы спектры ДЭЯР по ЭСЭ, в диапазоне 94 ГГц в кристалле Ga2O3:Fe для двух линий магнитных полей. Проведены результаты измерения времен релаксации T1 и T2 при температуре 20 К для трех линий магнитных полей. Измерения времени когерентности T2 проводились с использованием стандартной двухимпульсной последовательности для ЭСЭ. Анализ времен релаксации и спектров ДЭЯР может дать характеризацию ближайшего окружения исследуемых центров. Поскольку времена релаксации зависят от наличия парамагнитных дефектов, они могут быть использованы для диагностики результатов облучения и количества парамагнитных дефектов. ДЭЯР позволяет напрямую наблюдать переходы, связанные с изменением проекции ядерного спина, с высокой точностью определить константу сверхтонкого взаимодействия, идентифицировать ядра по величине зеемановского взаимодействия, измерять распределение плотности электронной волновой функции на магнитных ядрах лигандов, исследовать градиент электрического поля на ядре, который, как и времена релаксации, чувствителен к наличию дефектов в ближайшем окружении исследуемого парамагнитного центра. Опробован метод регистрации сигналов ОДМР для карбида кремния, обогащенного изотопом 13C, на частоте 94 ГГц при температуре 20 К с применением разных методов модуляции. Амплитуда модуляции магнитного поля составляла 0,5 мТл, а частоты – около 10 МГц. Показано, что этот метод дает выигрыш в чувствительности в случае, когда энергетические уровни слабо зависят от магнитного поля. Исследованы широкозонные полупроводники: монокристаллы оксида галлия β-Ga2O3 (Eg = 4.8 эВ), легированные примесью хрома Cr3+, методом электронного парамагнитного резонанса в непрерывном режиме на частоте 94 ГГц (W-диапазон) при температуре 6К на высокочастотном спектрометре ЭПР/ОДМР с использованием магнитооптического криостата замкнутого цикла. В спектрах ЭПР в образцах с высокой концентрацией трехвалентного хрома помимо трех линий иона Cr3+ (S = 3/2) в октаэдрическом окружении наблюдались еще три, менее интенсивные линии, которые по результатам анализа анизотропных спектров и численного моделирования, мы приписали ионам хрома в тетраэдрическом положении. Совместно с отечественным разработчиком - фирмой ДОК изготовлен СВЧ мост с рабочей частотой 35 ГГц. Устройство способно выдавать в волноводную линию излучение с частотой 35 ГГц с мощностью до 750 мВт и регистрировать отраженный сигнал. Мост может работать в непрерывном и импульсном режимах. Проведены тестовые измерения на примере P1–центров в алмазе. Была опробована опция изменения магнитного поля с переходом через нулевое значение. Наиболее наглядно это было продемонстрировано на примере ЭПР ионов тербия в кристаллах иттрий-алюминиевого граната. Показано, что на базе сканирующего низкочастотного спектрометра ОДМР с использованием конфокального микроскопа, перекрывающего видимый и ближний ИК оптические диапазоны, совместимые с волоконной оптикой и полосой прозрачности биологических объектов, может быть построен оптический векторный магнитометр. Схема полностью оптического векторного магнитометра позволяет использовать два режима работы спектрометра ОДМР для получения сигнала антикроссинга (LAC). В режиме 1 модулируется квазистатическое магнитное поле B0. В режиме 2 модулируется интенсивность возбуждающего лазера. В качестве SiC-датчика используется пластина 4H-SiC с V2 центрами, при этом ось кристалла c ориентирована перпендикулярно плоскости пластины.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Методами высокочастотного электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) были исследованы несколько образцов коллоидных нанопластинок (NPLs), различающихся структурой и концентрацией марганца. NPLs состояли из ядра – 2 монослоя (monolayer, ml) CdSe и нескольких монослоев оболочки CdMnS или CdMnZnS. Измерения проводились на частотах 94 и 130 ГГц в широком интервале температур (от 1.5 К). При температуре выше 5 К в спектрах ЭПР наблюдается разрешенная сверхтонкая структура (СТС), расщепление линий в которой различно для ионов Mn2+, расположенных внутри оболочки и на ее поверхности (значения постоянной СТС равны A = 7.0 mT и 9.3 mT, соответственно). Такое поведение типично для нанокристаллов с примесью марганца. Значение A = 7.0 mT совпадает с константой СТС объемного кристалла CdS. Установлено, что уменьшение константы СТС Mn2+ в кристаллах вызвано эффектами ковалентности. Сравнение образцов показывает, что относительная концентрация ионов Mn2+ на поверхности нанопластинок увеличивается с понижением концентрации марганца. С уменьшением толщины оболочки наблюдаются дополнительные линии, связанные, по-видимому, с расщеплением тонкой структуры Mn2+ из-за напряжений в нанопластинках. При низкой температуре (1,6–3 К) интенсивность разрешенных спектров ионов Mn2+ уменьшается, и появляется интенсивная широкая линия, которая имеет форму, близкую к лоренцевой. Мы считаем, что это проявление суперпарамагнитных свойств, возникающих при низких температурах из-за взаимодействия между ионами Mn2+, скорее всего - поверхностного Mn. Ширина этой линии уменьшается при уменьшении концентрации марганца. Спектры ОДМР регистрировались на частоте 35 и 94 ГГц при температуре 2 К по интенсивности люминесценции в диапазоне 2,0–2,3 эВ, обусловленной нейтральными и заряженными экситонами. Люминесценция возбуждалась светом полупроводникового лазера 405 нм. Установлено, что ширина линии ОДМР на частоте 94 ГГц зависит от приложенной к образцу мощности СВЧ и сильно уменьшается при понижении мощности. Проведены работы по созданию и комплексному исследованию активных элементов датчика в виде наночастиц карбида кремния (SiC) и микроалмазов с внедренными спиновыми центрами. Ключевым этапом стала разработка технологического маршрута получения наночастиц, который включал предварительную нарезку пластины на субмиллиметровые фрагменты с последующим сухим и мокрым измельчением в планетарной мельнице с использованием шариков из диоксида циркония. Анализ методом динамического светорассеяния подтвердил получение наночастиц с заданным размерным распределением в коллоидной суспензии. Был разработан и опробован процесс надежного закрепления одиночных наночастиц SiC и микрокристаллов алмаза на острие коммерческого кантилевера атомно-силового микроскопа (АСМ). Данная процедура является одним из ключевых факторов для перехода от объемных образцов к сканирующей магнитометрии. Для подтверждения успешности фиксации частицы проводился комплексный анализ модифицированного зонда. Также подтверждена возможность использования такого сенсора для векторной магнитометрии. Была не только экспериментально доказана принципиальная возможность создания функциональных гибридных сенсоров АСМ-частица SiC/алмаз со спиновыми центрами, но и отработан детальный, воспроизводимый технологический процесс их изготовления. Полученные результаты закладывают прочный фундамент для перехода к следующей стадии – непосредственному сканированию магнитных полей с нанометровым разрешением, причем наличие двух типов сенсоров позволяет выбирать оптимальную платформу в зависимости от конкретной измерительной задачи. Исполнителями проекта была написана и запатентована программа «Программа для построения карт ОДМР на базе конфокального микроскопа». Программа предназначена для сопряжения управляющего кода высокочастотного ЭПР/ОДМР спектрометра с драйверами моторизированных подвижек конфокального микроскопа NTEGRA Spectra производства ООО «НТ-МДТ». Значимость описанного программного решения обуславливается высокими трудозатратами при проведении подобных исследований в ручном режиме. Проведена модернизация СВЧ мостов W и D-диапазонов (94 и 130 ГГц): настройка и проверка параметров генераторов и приемников, автоматизация мостов. В мосты установлены контроллеры, управляющие всеми узлами, как генераторов, так и приемников СВЧ излучения. Для увеличения разрешающей способности спектрометра JEOL JES-PE с электромагнитом до примерно 1,3 Тл, совместно с отечественным разработчиком - фирмой «ДОК» изготовлен СВЧ мост с рабочей частотой 35 ГГц, для которого имеется СВЧ техника (волноводы, резонаторы и пр.). Устройство способно выдавать в волноводную линию излучение с частотой 35 ГГц и мощностью до 750 мВт и регистрировать отраженный сигнал. Были проведены тестовые измерения монокристаллов оксида галлия β-Ga2O3, легированных ионами Cr^(3+), с помощью изготовленного на предыдущем этапе СВЧ моста с рабочей частотой 35 ГГц. Измерения проводились на ЭПР спектрометре JEOL с электромагнитом до 1.3 Тл. Для исследований природных алмазов и некоторых других образцов на конфокальном микроскопе был разработан и изготовлен проточный азотный криостат. Криостат позволяет проводить измерения КРС, ФЛ и ОДМР в диапазоне температур от 300 до 77 К. При этом сохраняется возможность сканирования, как в латеральной плоскости, так и по глубине образца. Была разработана новая управляющая программа для ВЧ ЭПР/ОДМР спектрометра, совместимая с большим количеством приборов и в которой реализован ряд дополнительных функций. Параллельно с разработкой сенсорных элементов была создана, отлажена и испытана уникальная экспериментальная установка, представляющая собой сканирующий конфокальный микроскоп, интегрированный с системой генерации магнитных полей. Данная платформа позволила реализовать и отработать полностью оптический метод векторной магнитометрии, не требующий применения микроволнового излучения, в отличие от стандартных схем на основе ОДМР на NV-центрах. Эксперименты также подтвердили работоспособность метода в широком температурном диапазоне. Разработанная платформа и методика являются законченным решением для прецизионных векторных магнитных измерений с субмикронным пространственным разрешением и открывают путь к неинвазивной диагностике микроэлектронных устройств и изучению магнитных материалов.