【半導体物理】電子常磁性共鳴法(EPR)とは?

物質中の不対電子を測定する電子常磁性共鳴法、EPR(Electron Paramagnetic Resonance)について説明します。不対電子は物質の中に様々な形で存在しています。例えば、ラジカル、遷移金属イオン、結晶欠陥などです。半導体物理だけでなく、物理学、化学、生物学など幅広い分野で用いられている評価手法です。

EPRの基本

EPRは核磁気共鳴法(NMR[1])とよく似た磁気共鳴法ですが、EPRでは原子核の遷移を検出する代わりに電子の遷移を検出します。磁場を印加していない時には、不対電子の存在している準位は縮退しています。そこに磁場を印加すると、電子のスピンの向きが磁場に対して平行か逆平行かに応じて図1のように二つの準位に分裂します[2], [3]。この二つの準位間のエネルギーは印加している磁場の大きさに比例し、次のようにあらわされます。

 \Delta U = g\beta B

gg値と呼ばれる定数で不対電子の場合、真空中でg = 2.0023となります。\betaはボーア磁子と呼ばれる物理定数です。

EPRの原理1図1 磁場によって不対電子の軌道が分裂する模式図。不対電子のスピンは+\frac{1}{2}, -\frac{1}{2}の二つ。

この分裂した準位のエネルギー差に相当する光を照射したとき、エネルギーの吸収、共鳴が起こります。EPR測定では照射する光の周波数を固定して磁場を変化させ、光の吸収スペクトルを観測します。

実際に構造を分析する際には、吸収スペクトルを微分した波形を用いて分析することが一般的です。これは、吸収スペクトルを微分したほうが共鳴のピークがはっきりと見えるためです。二つ以上のピークが重なることがほとんどで、そのような場合は微分した波形のほうがはっきりとピーク位置を確認することが出来ます。

EPR測定の分析対象

EPR測定で分析することが可能なものについてまとめました。

  1. 不対電子をもつフリーラジカル
    固体、液体、気体の分子・原子に含まれる不対電子をもつフリーラジカルを分析することが出来ます。ここでは遷移金属のイオンや結晶中の点欠陥以外のものを指します。
  2. 遷移金属イオン
    遷移金属のイオンも分析することはできます。一般的に5つか7つのピークが観察されます。ランタノイドやアクチノイドの元素も含まれます。
  3. 固体中の様々な点欠陥
    点欠陥は不対電子をもっており、固体の中に含まれる点欠陥の構造をEPR測定によって調べることが出来ます。
  4. 一つ以上の不対電子をもつ系
    二つの不対電子同士の相互作用がある場合、二つの不対電子同士が相互作用しないぐらい離れて存在している場合、二つ以上の不対電子が含まれる場合が、これに含まれます。
  5. 導電性の系
    金属や半導体といった材料がこれに含まれます。

このように、EPRは非常に多くの物質に対して分析を行うことが出来る手法です。ただし、不対電子を含んでいることが条件になります。

脚注・参考文献

[1]NMR: Nuclear Magnetic Resonance の略。MRI(Magnetic Resonance Imaging)はNMRを利用して体内の画像を撮影する方法。

[2]John A. Weil and James R. Bolton, “ELECTRONPARAMAGNETICRESONANCE : Elementary Theory andPractical Applications“, Wiley (2007).

[3]スピンが異なる電子の準位間での共鳴を測定するため、電子スピン共鳴、Electron Spin Resonance (ESR)とも呼ばれます。

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はじめまして!”あおやぎ”と言います。
メーカーで研究開発の仕事をしています。このブログでは、私の専門分野である半導体やそれに関連する内容を紹介していきます。
半導体関連の知識をまとめたデータベースのようにしたいなと思っています。

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