mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2019-1-35-44mateltech-262Research ArticleМатериаловедение и технология. ДиэлектрикиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. DIELECTRICSСпектральная диагностика колебательных центров в кристаллах с водородными связямиSpectral diagnostics of vibrational centers in crystals with hydrogen bondsТимохинВ. М.TimokhinV. M.

просп. Ленина, д. 93, Новороссийск, 353900, Россия

Тимохин Виктор Михайлович — канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры физики, профессор РАЕ

SPIN-код: 3793-2021

93 Lenin’s Avenue, Novorossisk, Krasnodar Region 353900, Russia

Viktor M. Timokhin: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assistant Professor, Professor of RAE

t.v.m@inbox.ruГармашВ. М.GarmashV. M.

ул. Бутлерова, д. 15, Москва, 117342, Россия

Гармаш Владимир Михайлович — доктор техн. наук, профессор

SPIN-код: 3704-6179

15 Butlerova Str., Moscow 117342, Russia

Vladimir M. Garmash: Dr. Sci. (Eng.), Professor

garmash1@mail.ruТеджетовВ. А.TedzhetovV. A.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049, Россия

Теджетов Валентин Алексеевич — ведущий инженер-программист кафедры материаловедение полупроводников и диэлектриков,

SPIN-код: 4264-5411

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049, Russia

Valentin A. Tedzhetov: Leading Engineer-Programmer

velmurad@yandex.ruГосударственный морской университет имени адмирала Ф. Ф. УшаковаAdmiral Ushakov State Maritime UniversityНаучно-технологический центр уникального приборостроения РАНScientific and Technological Center of Unique Instrumentation» of the Russian Academy of SciencesНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»National University of Science and Technology MISiS2019140220192213544Copyright © Тимохин В.М., Гармаш В.М., Теджетов В.А., 20192019Тимохин В.М., Гармаш В.М., Теджетов В.А.Timokhin V.M., Garmash V.M., Tedzhetov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/262

При практическом применении кристаллов в оптоэлектронике и лазерной технике необходимо знать направления оптических осей и типов колебательных центров, что является актуальным и необходимым условием. Исследованы инфракрасные спектры пропускания и поглощения гексагональных кристаллов иодата лития α-LiIО3, выращенных методом открытого испарения в растворах H2O и D2O, а также природных пластинчатых кристаллов флогопита и мусковита моноклинной сингонии. По спектрам пропускания оценена ширина запрещенной зоны исследованных кристаллов. По спектрам поглощения определены энергия активации и длина волны колебательных центров, связанных с колебаниями протонов, ионов гидроксония Н3О+, протия Н+, групп ОН- и молекул HDO. Показана хорошая корреляция параметров инфракрасных спектров со спектрами термостимулированных токов деполяризации и спектров ядерно-магнитного резонанса. Рассмотрена возможность диагностики типов колебательных центров с помощью инфракрасных спектров, что также позволяет выяснить направление оптических осей. Полученные результаты позволяют использовать ИК-спектры для определения не только типов колебательных центров, но и наличия анизотропии кристаллической решетки исследуемых кристаллов.

In practical application of crystals in optoelectronics and laser technology it is necessary to know the direction of optical axes and types of oscillatory centers, which is a relevant and necessary condition. In this paper, the infrared spectra of transmission and absorption of hexagonal crystals of lithium iodate α-LiIO3, grown by open evaporation in H2O and D2O solutions, as well as natural lamellar crystals of phlogopite and muscovite monoclinic crystal are investigated. The band gap width of the investigated crystals is determined by transmission spectra. In the absorption spectra there were determined activation energy and wavelength of the oscillatory centers that are associated with the vibrations of protons, hydronium ions Н3О+, protium H+, OH groups and molecules HDO. The good correlation of the parameters of infrared spectra with the spectra of thermally stimulated depolarization currents and NMR spectra has shown. The possibility of diagnostics of types of oscillatory centers by means of infrared spectra is considered, which also allows to find out the direction of optical axes. The obtained results allow to use IR spectra to determine not only the types of vibrational centers, but also the presence of anisotropy of the crystal lattice of the studied crystals.

диагностикаинфракрасные спектрытермостимулированные токи деполяризацииколебательные центрыпротоныоптические осианизотропияядерный магнитный резонансdiagnosticsinfrared spectrathermally stimulated depolarization currentsoscillatory centersprotonsoptical axesanisotropynuclear magnetic resonanceReferencesПат. 2566389 (РФ). Термостимулированный способ диагностики анизотропии оптических осей кристаллов / В. М. Тимохин, 2015.Pat. 2566389 (RF). Termostimulirovannyi sposob diagnostiki anizotropii opticheskikh osei kristallov [Thermally stimulated current method of diagnosis of the anisotropy of the optical axes of the crystals]. V. M. Timokhin, 2015. (In Russ.)Пат. 2442972 (РФ). Способ определения положения оптической оси фазовой анизотропной кристаллической пластинки λ/4 / О. Ю. Пикуль, 2012.Pat. 2442972 (RF). Sposob opredeleniya polozheniya opticheskoi osi fazovoi anizotropnoi kristallicheskoi plastinki λ/4 [Method for determining the position of the optical axis of the phase anisotropic crystal plate λ/4]. O. Yu. Pikul, 2012. (In Russ.)Petrenko V. F., Ryzhkin V. F. Dielectric properties of ice in the presence of space charge // Phys. Stat. Solidi (b). 1984. V. 121, Iss. 1. P. 421—427. DOI: 10.1002/pssb.2221210145Petrenko V. F., Ryzhkin V. F. Dielectric properties of Ice in the presence of space charge. Phys. Stat. Solidi (b), 1984, vol. 121, no. 1, pp. 421—427. DOI: 10.1002/pssb.2221210145Тонконогов М. П. Диэлектрическая спектроскопия кристаллов с водородными связями. Протонная релаксация // УФН. 1998. Т. 168, № 1. С. 29—54. DOI: 10.3367/UFNr.0168.199801b.0029Tonkonogov M. P. Dielectric spectroscopy of hydrogen-bonded crystals, and proton relaxation. Physics-Uspekhi, 1998, vol. 41, no. 1, pp. 25—48. DOI: 10.1070/PU1998v041n01ABEH000328Белушкин А. В. Новые подходы к анализу структуры кристаллов. Нестандартный метод в изучении механизмов диффузии атомов и молекул // УФН. 2003. Т. 173, №11. С. 1258—1262. DOI: 10.3367/UFNr.0173.200311k.1258Belushkin A. V. Novel approaches to the analysis of crystal structure. A nonstandard method for the study of atomic and molecular diffusion mechanisms. Physics-Uspekhi, 2003, vol. 46, no. 11, pp. 1219—1223. DOI: 10.1070/PU2003v046n11ABEH001672Тимохин В. М. Механизм диэлектрической релаксации и протонная проводимость в наноструктуре α-LiIО3 // Известия вузов. Физика. 2009. Т. 52, № 3. С. 46—50.Timokhin V. M. The mechanism of dielectric relaxation and proton conductivity in an α-LiIO3 nanostructure. Russian Physics Journal, 2009, vol. 52, no. 3, pp. 269—274. DOI: 10.1007/s11182-009-9221-8Lee C.-W., Lee P.-R., Kim Y.-K., Kanga H. Mechanistic study of proton transfer and H/D exchange in ice films at low temperatures (100—140 K) // J. Chem. Phys. 2007. V. 127, Iss. 8. P. 084701. DOI: 10.1063/1.2759917Lee C.-W., Lee P.-R., Kim Y.-K., Kanga H. Mechanistic study of proton transfer and H/D exchange in ice films at low temperatures (100—140 K). J. Chem. Phys., 2007, vol. 127, no. 8, pp. 084701. DOI: 10.1063/1.2759917Шалимова К. В. Физика полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 1985. 392 c.Shalimova K. V. Fizika poluprovodnikov [Physics of semiconductors]. Moscow: Energoatomizdat, 1985, 392 p. (In Russ.)Блистанов А. А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. М.: МИСиС, 2000. 760 с.Blistanov A. A. Kristally kvantovoi i nelineinoi optiki [Crystals for quantum and nonlinear optics]. Moscow: MISiS, 2000, 760 p. (In Russ.)Шишелова Т. И., Созинова Т. В., Коновалова А. Н. Практикум по спектроскопии. Вода в минералах : учебное пособие. М.: Изд-во «Академия Естествознания», 2010. 210 с.Shishelova T. I., Sozinova T. V., Konovalov A. N. Workshop on spectroscopy. Water in minerals: tutorial. Moscow: Publishing house «Akademiya Estestvoznaniya», 2010, 210 p. (In Russ.)Fillaux F. Proton transfer in the KHCO3 and benzoic acid crystals: A quantum view // J. Molecular Structure. 2007. V. 844—845. P. 308—318. DOI: 10.1016/j.molstruc.2007.05.046Fillaux F. Proton transfer in the KHCO3 and benzoic acid crystals: A quantum view. J. Molecular Structure, 2007, vols. 844—845, pp. 308—318. DOI: 10.1016/j.molstruc.2007.05.046Воронина Т. В., Слободов А. А. Спектроскопия и термодинамическое исследование тяжелой воды // Оптический журнал. 2011. Т. 78, Вып. 3. С. 3—9.Voronina T. V., Slobodov A. A. Spectroscopic and thermodynamic study of heavy water. J. Opt. Technol., 2011, vol. 78, no. 3, pp. 156—160. DOI: 10.1364/JOT.78.000156Timokhin V. M. Garmash V. M., Tedzhetov V. A. Infrared spectroscopy and tunneling of protons in crystals with hydrogen bonds // Optics and Spectroscopy. 2017. V. 122, N 6. P. 889—895. DOI: 10.1134/S0030400X17060224Timokhin V. M. Garmash V. M., Tedzhetov V. A. Infrared spectroscopy and tunneling of protons in crystals with hydrogen bonds. Optics and Spectroscopy, 2017, vol. 122, no. 6, pp. 889—895. DOI: 10.1134/S0030400X17060224Плюснина И. И. Инфракрасные спектры силикатов. М.: МГУ, 1967. 190 с.Plyusnina I. I. Infrakrasnye spektry silikatov [Infrared spectra of silicates]. Moscow: MGU, 1967, 190 p. (In Russ.)Бредихин В. И., Дмитренко Л. А., Киселева Н. В., Королихин В. В., Котова М. А., Новиков М. А., Рубаха В. И. Экспериментальное исследование природы инфракрасного поглощения монокристаллов α-LiIO3 // Кристаллография. 1982. Т. 27, Вып. 5. С. 928—931.Bredikhin V. N., Dmitrienko L. A., Kiseleva N. V., Korolikhin V. V., Kotova M. A., Novikov M. A., Rubakha V. I. Experimental study of the nature of the infrared absorption of α-LiIO3 single crystals. Kristallografiya, 1982, vol. 27, no. 5, pp. 928—931. (In Russ.)Егоров Н. Б., Шагалов В. В. Инфракрасная спектроскопия редких и рассеянных элементов: учебно-методические указания. Томск, Изд-во ТПУ, 2008. 20 с.Egorov N. B., Shagalov V. V. Infrakrasnaya spektroskopiya redkikh i rasseyannykh elementov [Infrared spectroscopy of rare and scattered elements]. Tomsk: Izd-vo TPU, 2008, 20 p. (In Russ.)Ярославцев А. Б. Протонная проводимость неорганических гидратов // Успехи химии. 1994. Т. 63, № 5. С. 449—455.Yaroslavtsev A. B. Proton conductivity of inorganic hydrates. Russ. Chem. Rev., 1994, vol. 63, no. 5, pp. 429—435. DOI: 10.1070/RC1994v063n05ABEH000095Fedorova S. V. Physical and chemical and electric indicators of the micalex // Theoretical & Applied Science. 2015. V. 24,Fedorova S. V. Physical and chemical and electric indicators of the micalex. Theoretical & Applied Science, 2015, vol. 24, no. 4, pp. 145—148. DOI: 10.15863/TAS.2015.04.24.25Iss. 4. P. 145—148. DOI: 10.15863/TAS.2015.04.24.25Shishelova T. I., Kolodeznikova A. N., Shulga V. V. Assess the grade of mineral raw materials the method of IR spectroscopy. Fundamental Research, 2015, no. 2 (pt 15), pp. 3294—3298. URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37771 (In Russ.)Шишелова Т. И., Колодезникова А. Н., Шульга В. В. Метод ИК-спектроскопии как метод оценки сортности минерального сырья // Фундаментальные исследования. 2015. № 2-15. С. 3294—3298. URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37771Papko L. F., Kravchuk A. P. Fiziko-khimicheskie metody issledovaniya neorganicheskikh veshchestv i materialov [Physico-chemical methods of research of inorganic substances and materials]. Minsk: Belarusian State Technological University, 2013, 95 p. URL: https://elib.belstu.by/handle/123456789/25560 (In Russ.)Папко Л. Ф., Кравчук А. П. Физико-химические методы исследования неорганических веществ и материалов. Практикум : учеб.-метод. пособие. Минск: БГТУ, 2013. 95 с. URL: https://elib.belstu.by/handle/123456789/25560Timokhin V. M., Garmash V. M., Tarasov V. P. NMR spectra and translational diffusion of protons in crystals with hydrogen bonds. Phys. Solid State, 2015, vol. 57, no. 7, pp. 1314—1317. DOI: 10.1134/S1063783415070331Timokhin V. M., Garmash V. M., Tarasov V. P NMR spectra and translational diffusion of protons in crystals with hydrogen bonds // Physics of the Solid State. 2015. V. 57, N 7. P. 1314—1317. DOI: 10.1134/S1063783415070331Ivanov Yu. N., Sukhovsky A. A., Aleksandrova I. P., Totz J., Michel D. The mechanism of proton conductivity in the crystals of NH4 SO4. Fizika tverdogo tela, 2002, vol. 44, no. 6, pp. 1032—1038. (In Russ.)Иванов Ю. Н., Суховский А. А., Александрова И. П., Тотц Й., Михель Д. Механизм протонной проводимости в кристаллах NH4SeO4 // ФТТ. 2002. Т. 44, Вып. 6. С. 1032—1038.Maeno N. Nauka o l’de [Science of ice]. Moscow: Mir, 1988, 230 p. (In Russ.)Маэно Н. Наука о льде. М.: Мир, 1988. 230 с.Маэно Н. Наука о льде. М.: Мир, 1988. 230 с.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.