正電子譜學及其應用.doc

正電子譜學原理n 正電子n 正電子湮沒n 雙光子湮沒n = 2n 正電子壽命n 湮沒光子的能量和Doppler展寬n 湮沒光子的角關(guān)聯(lián)2g湮滅過程中動量守恒的矢量圖Doppler展寬的線性參數(shù)n 正電子源= 放射性同位素= 單能慢正電子束正電子實驗n 正電子湮沒技術(shù)（70年代）n 正電子湮沒譜學（80年代）n 正電子譜學（90年代后期）n 正電子譜學的主要特點： = 對固體中原子尺度的缺陷研究和微結(jié)構(gòu)變化十分敏感，是其他手段無法比擬的。= 對研究材料完全無損傷，可進行生產(chǎn)過程中的實時測量，能夠滿足某些特點的測量要求。= 理論比較完善，可以精確計算很多觀測量同實驗進行比較。= 固體內(nèi)部的信息由光子毫無失真的帶出，對樣品要求低，不需特別制備或處理，不受半導體導電類型和載流子濃度等因素影響。= 作為電子的反粒子，正電子容易鑒別，又能形成電子偶素，可以替代電子探針來獲得材料中更多的信息，在許多實驗中能夠大大降低電子本底。正電子譜學基本實驗技術(shù)n 正電子壽命譜n 湮滅能譜的Doppler展寬及其S參數(shù)n 湮沒輻射的角關(guān)聯(lián)n 慢正電子束= 慢正電子束裝置= 單能正電子的注入深度= 正電子擴散慢正電子束流的慢化體結(jié)構(gòu)其中，S: 22Na源 P: 鉛屏蔽 M: 鎢慢化體 T: 靶材料 C: 有補償線圈 D: 高純鍺探測器 E: 液氮冷卻裝置Slowpos-USTC：慢電子束流裝置示意圖Slowpos-USTC：慢電子束的數(shù)據(jù)測量和控制系統(tǒng)= 慢正電子束特點：u 可探測真實表面（幾個原子層）的物理化學信息u 探測物體內(nèi)部局域電子密度及動量分布u 可獲得缺陷沿樣品深度的分布n 單能正電子平均注入深度的經(jīng)驗公式：正電子譜學應用之一Open volume defects of superconducting thin film YBa2Cu3O7-d高溫超導體中空位型缺陷不僅是不可避免的，而且也是必須的。外延薄膜的臨界電流密度比相應的塊材單晶高約三個量級。單能慢正電子束是研究薄膜空位型缺陷的有效方法。n Open volume defects of superconducting thin film YBa2Cu3O7-d= 空位型缺陷與沉積條件的關(guān)系X Y Zhou et al , J Phys. CM 9, L61Phys.Rev. B54, 1398Phys.Lett. A225, 143Physica C 281, 335= 相同空氣分壓，襯底溫度越高，正電子平均壽命越小= 相同襯底溫度，空氣分壓越高，正電子平均壽命越大= 空位型缺陷的正電子壽命(360ps)不變= 結(jié)論u 空位型缺陷的類型與沉積條件無關(guān)u 相同空氣分壓，襯底溫度越高，缺陷越少；相同襯底溫度，空氣分壓越高，缺陷越多u 空位型缺陷對應的是陽離子空位及其復合體n 正電子壽命的溫度依賴關(guān)系= 平均壽命隨溫度的降低而降低= I2 隨溫度的降低而降低= Tau2隨著溫度的降低而升高= （塊材）平均壽命隨溫度的降低而升高= （塊材）Tau2 與和摻雜量溫度無關(guān)= Summaryu 深淺捕獲中心共存u 深捕獲中心（缺陷）在低溫下有長大的趨勢，可能形成心的磁通釘扎中心n 結(jié)論= 高溫超導薄膜中存在兩類缺陷u 淺捕獲中心位錯、孿生晶界等u 深捕獲中心陽離子空位及其復合體= 陽離子空位及其復合體的尺度與沉積條件無關(guān)= 低溫下，缺陷有長大的趨勢正電子譜學應用之二分子束外延硅薄膜的質(zhì)量評價分子束外延生長半導體薄膜襯底溫度的重要性最佳生長溫度LTMBE慢正電子束技術(shù)無損檢測外延膜質(zhì)量n 實驗結(jié)果樣品號108010791087108610031078外延層厚（nm）9209206706807401130生長溫度（）RT400475525575700Sd/Sb1.1361.1071.0231.0221.0031.002Sd/Sb空位型缺陷類型1.021.03單空位1.031.04雙空位1.5大的空位或空位團不同生長溫度下分子束外延樣品S參數(shù)X Y Zhou et al, Materials Science Forum 363-365 (2001), 475 ;n 結(jié)論 生長溫度與薄膜質(zhì)量室溫小空位團500左右單空位575空位型缺陷基本消失700銻擴散的影響正電子譜學應用之三離子注入硅產(chǎn)生的缺陷及其退火行為注入及退火條件E(keV)I(A)D(ions/cm2)t2(min)P+900.52101420P2+1800.251101420P+注入樣品的實驗S參數(shù)P+注入硅引起的缺陷及其退火行為退火溫度未退火450（）475（）500（）525（）x1(nm)94.387.474.869.263.7x2(nm)250.1240.1200.7194.7186.8Sd/Sb1.0261.0191.0221.0171.008K(b)3228262523x(nm)155.8152.7125.9125.5123.1P2+注入樣品的實驗S參數(shù)P2+注入硅引起的缺陷及其退火行為退火溫度未退火450（）475（）500（）525（）x1(nm)71.367.577.164.857.4x2(nm)248.1234.1201.7214.8201.0Sd/Sb1.0251.0201.0221.0311.011K(b)3427302724x(nm)176.8166.6124.6150.0143.0n 結(jié)論（方勢阱擬合）= 注入引起的缺陷類型= 損傷區(qū)域隨退火溫度增加而變窄；即前沿、后沿均向注入面移動 = 退火不改變?nèi)毕蓊愋停灰鹑毕轁舛鹊淖兓? P分子離子注入的缺陷層厚一些正電子譜學應用之四界面微結(jié)構(gòu)變化的慢正電子研究n 描述界面的模型S = FSSS+