用于三维测温的 n 型硅与锗的电子顺磁共振研究
材料科学
2023-01-19 v3
摘要
尽管存在若干二维测温技术，但仍缺乏适用于广泛材料且兼具良好时间、空间与温度分辨率的三维测温技术。X 射线衍射（XRD）与核磁共振（NMR）成像可提供三维温度信息。然而，XRD 通常限于晶体材料，而 NMR 主要限于共振线窄的液体。我们研究了 n 型硅与锗的电子顺磁共振（EPR）用于三维测温。锗中 EPR 线宽过宽，而硅中 EPR 线宽较窄且呈现强温度依赖性。低掺杂浓度下 n 型 Si 中传导电子的自旋-晶格弛豫率（1/T1）因声子展宽遵循 T^3 律。对于重掺杂 Si（因其信噪比（SNR）良好而适于测温应用），杂质散射预期会减弱 1/T1 的温度依赖性。我们的结果表明，在重掺杂 n 型 Si 中，杂质散射引起的自旋-晶格弛豫并未急剧降低 EPR 线宽的温度依赖性。在施主浓度为 7 x 10^18 /cm^3 的 P 掺杂 Si 中，EPR 线宽具 T^(5/2) 温度依赖性；当施主浓度为 7 x 10^19 /cm^3 时，温度依赖性降至 T^(3/2)。虽更重掺杂下线宽温度依赖性减弱，EPR 线宽仍是灵敏温度计。我们定义了基于 n 型 Si 的 EPR 线宽测温 SNR 的优值，并观察到增加掺杂可改善 SNR。利用有效介质理论，我们证明 EPR 线宽可作为嵌入重掺杂 n 型 Si 微粒系统的三维测温灵敏温度计。
引用
@article{arxiv.2211.07895,
title = {Electron paramagnetic resonance of n-type silicon and germanium for applications in 3D thermometry},
author = {Darshan Chalise and David G. Cahill},
journal= {arXiv preprint arXiv:2211.07895},
year = {2023}
}