Positronen-Annihilations-Spektroskopie (PAS)

Leiter:
Dr. sc.nat. Gerhard Brauer

Mitarbeiter:
Dipl.-Phys. Wolfgang Anwand


 Ziel:  

  • Nutzung der Positronen-Annihilations-Spektroskopie (PAS) zur Untersuchung 
    von leerstellenartigen Defekten in Festkörpern und deren Oberflächen

Forschungsschwerpunkte:

  • Halbleiter und Metalle: Untersuchung leerstellenartiger Defekte infolge von Ionenimplantation, Untersuchung von Ausscheidungen

  • Stahl: Schädigung von Reaktorstählen durch Neutronen, Untersuchung von Ausscheidungen

  • dünne Filme auf unterschiedlichen Substraten

Ausrüstung:

  • konventionelle Positronen-Lebensdauer- und Doppler-Verbreiterungsspektroskopie
    System 1 :
    kombinierter Lebensdauer- und Dopplerverbreiterungsmeßplatz,
    Probentemperatur variierbar von 10 K bis Raumtemperatur
    System 2 :
    einfacher Lebensdauermeßplatz für Untersuchungen bei Raumtemperatur

  • monoenergetische Positronenstrahlapparatur für Positronenimplantationsspektroskopie
    magnetisch geführter Positronenstrahl, Strahldurchmesser d = 4 mm,
    HV-Bedingungen,
    Beschleunigungsspannung für die Positronen 30 eV bis 36 keV,
    Messung der Doppler-Verbreiterung der Annihilationslinie in Abhängigkeit
    von der Beschleunigungsspannung der Positronen mit einem Ge-Detektor,
    Energieauflösung (1.09 + 0.01) keV bei 511 keV.

monoenergetische Positronenstrahlapparatur im PAS Labor


Methode

Positronen-Implantationsspektroskopie (SPIS):

Positronen mit vorgegebenen Energien  von  30 eV < E < 36 keV werden bis zu einer Tiefe von einigen Mikrometer in die Probe implantiert. Dort thermalisieren sie innerhalb einer Zeit von wenigen Pikosekunden und annihilieren mit einem Elektron, nachdem sie noch einige 10 bis 100 nm durch die Probe diffundiert sind . Aufgrund des Impulses des an der Annihilation beteiligten Elektrons entsteht eine Doppler-Verbreiterung der Annihilationslinie. Diese Verbreiterung wird durch die Linienformparameter S und W charakterisiert. Der Wert von S ist abhängig von der Größe und der Konzentration leerstellenartiger Defekte in der Probe, während W Rückschlüsse auf die chemische Umgebung zulässt, in der die Annihilation stattfand. S vergrößert sich gegenüber dem Wert für defektfreies Material, wenn Positronen in leerstellenartigen Defekten (Nanokavitäten) gefangen werden und dort annihilieren.

 

Skizze zur Definition der Linienformparameter S und W


Definition der Linienformparameter S and W

 

Versuchsaufbau

1 Positronenquelle      2 Helmholtz Spulen     3 Spulen    4 Beschleuniger    5 Blende 
6 Strahljustierungspule    7 Ventil     8 Ge-Detektor     9 Probenkammer

Daten

Die Abbildung zeigt den Verlauf des S-Parameters in Abhängigkeit von der Energie der Positronen für eine 6H-SiC-Probe, die mit Ge+-Ionen implantiert wurde. Eine numerische Lösung der Positronen-Diffusionsgleichung ist mit Hilfe des Software-Paketes VEPFIT [1] möglich. Dabei werden die S(E)-Daten als Fit-Parameter benutzt. Für die Verteilung der thermalisierten Positronen in der Probe wird ein Makhov-Profil angenommen.


Auswertung

Der Fit basiert auf der Annahme einer bestimmten Anzahl von kastenförmigen Tiefenprofilen für die leerstellenartigen Defekte, die bei der Ge+-Implantation erzeugt werden. Die Breite des Kastens ist ein Maß für die Schadenstiefe und die Höhe ist verbunden mit der Größe und der Konzentration eines gegebenen Defekts.

[1] A.van Veen et al., in Positron Beams for Solids and Surfaces, edited by P.J.Schulz et al.,
     AIP Conf. Proc. No. 218 (AIP New York 1990), p. 171

 
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