Особенности комбинационного рассеяния света и электронного спинового магне тизма в облученных быстрыми нейтронами монокристаллических CVD-алмазах

Исследовано влияние облучения реакторными нейтронами пленок монокристаллического CVD-алмаза на спектры комбинационного рассеяния света (КР) и на сигналы электронного спинового резонанса (ЭСР). Впервые выявлено наличие суперпарамагнитных кластеров спин-радикалов (ферронов) — областей магнитного упорядочения во внешнем магнитном поле нескомпенсированных электронных спинов (g-фактор ≈4.65) в облученных нейтронами (флюенс 3 *1018 см–2) алмазах. Установлено, что термический отжиг при 400 °C в течение 1 ч кардинально уменьшает интенсивность сигнала ЭСР ассоциатов спин-радикалов из радиационных дефектов, но примерно в два раза увеличивает амплитуду и в ≈4.6 раз сужает линию сигнала ЭСР от одиночных парамагнитных центров. Данные КР-спектроскопии свидетельствуют о частичном восстановлении кристаллической структуры алмаза за счет отжига как одиночных радиационных дефектов, так и наноразмерных аморфизованных областей (ферронов). Обсуждаются типы дефектов, обусловливающих формирование ферронов в алмазах вследствие их облучения реакторными нейтронами.

1. G. A. Prinz. Science, 282, N 5394 (1998) 1660—1663, https://doi.org/10.1126/science.282.5394.1660

2. J. Narayan, A. Bhaumik, S. Gupta, A. Haque, R. Sachan. Mater. Res. Lett., 6, N 7 (2018) 353—364, https://doi.org/10.1080/21663831.2018.1458753

3. R. Höhne, P. Esquinazi, V. Heera, H. Weishart. Diamond Rel. Mater., 16, N 8 (2007) 1589—1596, https://doi.org/10.1016/j.diamond.2007.01.019

4. А. В. Хомич, Р. А. Хмельницкий, Н. А. Поклонский, Н. М. Лапчук, А. А. Хомич, В. А. Дравин, О. Н. Поклонская, Е. Е. Ашкинази, И. И. Власов, Е. В. Заведеев, В. Г. Ральченко. Журн. прикл. спектр., 79, № 4 (2012) 615—624 A. V. Khomich, R. A. Khmelnitsky, N. A. Poklonski, N. M. Lapchuk, A. A. Khomich, V. A. Dravin, O. N. Poklonskaya, E. E. Ashkinazi, I. I. Vlasov, E. V. Zavedeev, V. G. Ralchenko. J. Appl. Spectr., 79, N 6 (2012) 600—609, https://doi.org/10.1007/s10812-012-9646-7.

5. T. N. Makgato, E. Sideras-Haddad, M. A. Ramos, M. García-Hernández, A. Climent-Font, A. Zucchiatti, A. Muñoz-Martin, S. Shrivastava, R. Erasmus. J. Magn. Magn. Mater., 413 (2016) 76—80, https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.04.030

6. N. A. Poklonski, A. A. Khomich, I. A. Svito, S. A. Vyrko, O. N. Poklonskaya, A. I. Kovalev, M. V. Kozlova, R. A. Khmelnitskii, A. V. Khomich. Appl. Sci., 13, N 10 (2023) 6221, https://doi.org/10.3390/app13106221

7. Y. Sakai, J. R. Chelikowsky, M. L. Cohen. Phys. Rev. Mater., 2, N 7 (2018) 074403, https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.074403

8. Y. Gao, X. Feng, B.-C. Gong, C. Zhong, S.A. Yang, K. Liu, Z.-Y. Lu. Carbon, 177 (2021) 11—18, https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.01.153

9. N. A. Poklonski, S. A. Vyrko, A. G. Zabrodskii. Phys. Scripta, 100, N 12 (2025) 125914, https://doi.org/10.1088/1402-4896/ae2550

10. M. A. Garcia, E. Fernandez Pinel, J. de la Venta, A. Quesada, V. Bouzas, J.F. Fernández, J. J. Romero, M. S. Martín González, J. L. Costa-Krämer. J. Appl. Phys., 105 (2009) 013925, https://doi.org/10.1063/1.3060808

11. A. P. Bolshakov, V. Yu. Yurov, I. A. Fedorova, A. K. Martyanov, P. V. Fedotov, A. F. Popovich, V. G. Ralchenko,B. Dai. DiamondRel.Mater.,150(2024)111721,https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111721

12. J. A. Weil, J. R. Bolton. Electron Paramagnetic Resonance: Elementary Theory and Practical Applications, Hoboken, Wiley (2007) https://doi.org/10.1002/0470084987

13. A. A. Khomich, A. A. Averin, O. N. Poklonskaya, S. N. Bokova-Sirosh, A. N. Dzeraviaha, R. A. Khmelnitsky, I. I. Vlasov, O. Shenderova, N. A. Poklonski, A. V. Khomich. J. Phys.: Conf. Ser., 1400 (2019) 044017, https://doi.org/10.1088/1742-6596/1400/4/044017

14. Properties, Growth and Applications of Diamond, Eds. M. H. Nazaré, A. J. Neves, London, INSPEC, IEE (2001)

15. A. Bosak, M. Krisch. Phys. Rev. B, 72, N 22 (2005) 224305, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.224305

16. S. Osswald, V. N. Mochalin, M. Havel, G. Yushin, Y. Gogotsi. Phys. Rev. B, 80 (2009) 075419, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.075419

17. A. A. Khomich, R. A. Khmelnitsky, A. V. Khomich. Nanomaterials, 10, N 6 (2020) 1166, https://doi.org/10.3390/nano10061166

18. J. O. Orwa, K. W. Nugent, D. N. Jamieson, S. Prawer. Phys. Rev. B, 62, N 9 (2000) 5461—5472, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.5461

19. О. Н. Поклонская, С. А. Вырко, А. А. Хомич, А. А. Аверин, А. В. Хомич, Р. А. Хмельницкий, Н. А. Поклонский. Журн. прикл. спектр., 81, № 6 (2014) 879—887 O. N. Poklonskaya, S. A. Vyrko, A. A. Khomich, A. A. Averin, A. V. Khomich, R. A. Khmelnitsky, N. A. Poklonski. J. Appl. Spectr., 81, N 6 (2015) 969—977, https://doi.org/10.1007/s10812-015-0037-8.

20. S. Prawer, I. Rosenblum, J. O. Orwa, J. Adler. Chem. Phys. Lett., 390, N 4-6 (2004) 458—461, https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.04.027

21. S. V. Nistor, M. Stefan, V. G. Ralchenko, A. V. Khomich, D. Schoemaker. J. Appl. Phys., 87, N 12 (2000) 8741—8746, https://doi.org/10.1063/1.373604

22. J. Isoya, H. Kanda, I. Sakaguchi, Y. Morita, T. Ohshima. Rad. Phys. Chem., 50, N 4 (1997) 321—330, https://doi.org/10.1016/S0969-806X(97)00070-4

23. S. K. Misra. In: Electron Paramagnetic Resonance in Modern Carbon-Based Nanomaterials, Eds. D. Savchenko, A. H. Kassiba, Sharjah, UAE, Bentham Science Publishers (2018) 1—35, https://doi.org/10.2174/9781681086934118010004

24. N. Nunn, S. Milikisiyants, E. O. Danilov, M. D. Torelli, L. Dei Cas, A. Zaitsev, O. Shenderova, A. I. Smirnov, A. I. Shames. J. Appl. Phys., 132, N 7 (2022) 075106, https://doi.org/10.1063/5.0103313

25. О. Н. Поклонская. Докл. НАН Беларуси, 57, № 5 (2013) 49—54, https://elibrary.ru/item.asp?id=26472015

26. О. Н. Поклонская. Вестн. БГУ. Сер. 1: Физ. Мат. Информ., № 2 (2013) 60—65, http://elib.bsu.by/handle/123456789/95908

27. D. J. Twitchen, M. E. Newton, J. M. Baker, O. D. Tucker, T. R. Anthony, W. F. Banholzer. Phys. Rev. B, 54, N 10 (1996) 6988—6998, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.6988

28. А. Б. Дровосеков, Н. М. Крейнес, Д. А. Зигануров, А. В. Ситников, С. Н. Николаев, В. В. Рыльков. ЖЭТФ, 164, № 4(10) (2023) 650—661 A. B. Drovosekov, N. M. Kreines, D. A. Ziganurov, A. V. Sitnikov, S. N. Nikolaev, V. V. Rylkov. J. Exp. Theor. Phys., 137, N 4 (2023) 562—571, https://doi.org/10.1134/S1063776123100023.

29. A. B. Drovosekov, M. Yu. Dmitrieva, A. V. Sitnikov, S. N. Nikolaev, V. V. Rylkov. ЖЭТФ, 169, № 2 (2026) 212—224, http://jetp.ras.ru/cgi-bin/e/index/r/169/2/p212?a=list

30. В. Ю. Осипов, К. В. Богданов, F. Treussart, A. Rampersaud, А. В. Баранов. Опт. и спектр., 130, № 2 (2022) 332—341 V. Yu. Osipov, K. V. Bogdanov, F. Treussart, A. Rampersaud, A. V. Baranov. Opt. Spectrosc., 131, N 1 (2023) 38—47, https://doi.org/10.1134/S0030400X2303013X.

31. A. V. Nikolaev, M. Ye. Zhuravlev, L. L. Tao. J. Magn. Magn. Mater., 588, Pt. A (2023) 171394, https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2023.171394

32. A. Sorkin, J. Adler, R. Kalish. Phys. Rev B, 70, N 6 (2004) 064110, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.064110

33. B. A. Fairchild, S. Rubanov, D. W. M. Lau, M. Robinson, I. Suarez-Martinez, N. Marks, A. D. Greentree, D. McCulloch, S. Prawer. Adv. Mater., 24, N 15 (2012) 2024—2029, https://doi.org/10.1002/adma.201104511

34. E. K. Nshingabigwi, T. E. Derry, S. R. Naidoo, J. H. Neethling, E. J. Olivier, J. H. O’Connell, C. M. Levitt. Diamond Rel. Mater., 49 (2014) 1—8, https://doi.org/10.1016/j.diamond.2014.07.010

35. J. Zhang, F. Huang, S. Li, G. Yu, Z. Xu, L. Hei, F. Lv, A. Horne, P. Wang, M. Qi. Diamond Rel. Mater., 154 (2025) 112189, https://doi.org/10.1016/j.diamond.2025.112189

36. M. E. Newton. In: Electron Paramagnetic Resonance, 20, Eds. B. C. Gilbert, M. J. Davies, D. M. Murphy, Cambridge, RSC (2007) 131—156

37. Handbook of Magnetism and Magnetic Materials, Eds. J. M. D. Coey, S. S. P. Parkin, Cham, Springer (2021), https://doi.org/10.1007/978-3-030-63210-6

38. Н. А. Поклонский, Т. М. Лапчук, Н. И. Горбачук. Журн. прикл. спектр., 68, № 4 (2001) 419—422 N. A. Poklonskii, T. M. Lapchuk, N. I. Gorbachuk. J. Appl. Spectr., 68, N 4 (2001) 543—547, https://doi.org/10.1023/A:1012511517323.

39. A. Sommerfeld. Electrodynamics: Lectures on Theoretical Physics, III, New York, Academic Press (1959)

40. J. A. Osborn. Phys. Rev., 67, N 11-12 (1945) 351—357, https://doi.org/10.1103/PhysRev.67.351

41. M. Jonas. Rad. Meas., 27, N 5-6 (1997) 943—973, https://doi.org/10.1016/S1350-4487(97)00202-3