Kontakt

Dr. Andreas Wagner

Leiter Abteilung Kernphysik
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Dr. Maciej Oskar Liedke

Postdoktorand, Beam line scientist
Kernphysik
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Dr. Maik Butterling

PostDoc, Beamline Scientist
Kernphysik
m.butterlingAthzdr.de
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Eye catcher

The Slow-Positron System of Rossendorf - SPONSOR

 

SPONSOR ist ein System zur Durchführung von tiefenabhängigen Materialuntersuchungen mit langsamen Positronen unter Verwendung der Dopplerverbreiterungs-Spektroskopie. Als Positronenquelle dient das Radioisotop 22Na welches Positronen durch ß+ Zerfall erzeugt. Um mono-energetische Positronen für tiefenaufgelöste Defektcharakterisierung zu erhalten,werden die Positronen in einer Wolfram-Folie abgebremst und danach wieder auf eine konstante Energie, typischerweise im Bereich von 30 eV bis ca. 40 keV, beschleunigt.

 

Positronen-Implantationsspektroskopie

 

Magnetisch geführte Positronen aus einer 22Na-Quelle werden mit vorgegebenen Energien von 30 eV < E < 36 keV beschleunigt und bis zu einer Tiefe von einigen Mikrometer in die Probe implantiert. Dort thermalisieren sie innerhalb einer Zeit von wenigen Pikosekunden, und diffundieren noch einige 10 bis 100 nm durch die Probe bevor sie mit Elektronen annihilieren. Das so erhaltene Implantationsprofil wird durch eine energieabhängige Makhov-Verteilung [1] charakterisiert und kann analytisch berechnet werden.

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.

 

Implantationsprofile für Positronen in Silizium als Funktion der Beschleunigungsernerg und Tiefe (links) und Definition der Linienform-Parameter S und W für die Annihilationslinie (rechts). 

Links: Implantationsprofile für Positronen in Silizium als Funktion der Beschleunigungsernerg und Tiefe.

Rechts: Definition der Linienform-Parameter S und W für die Annihilationslinie.

 

Aus dem experimentell erhaltenen S-Parameter kann man mit Hilfe von Fitroutinen wie VEPFIT [2] die Positronen-Diffusions-Gleichung lösen. Die erhaltene Positronen-Diffusionslänge kann mit Hilfe weiterer Messungen verschiedenen Defekten zugeordnet werden. Die Makhov-Verteilung erlaubt schließlich die Berechnung einer mittleren Eindringtiefe aus der Positronen-Implantationsenergie.  Somit lassen sich insgesamt Aussagen über die Defektgröße und deren tiefenabhängige Verteilung treffen und ein anschauliches Defektprofil darstellen.

Beispielhafter Verlauf eines experimentell erhaltenen S-Parameters über der Positronen-Implantationsenergie mit Ergebnis eines Fits (links) sowie daraus ermittelte Defektverteilung über der Probentiefe (rechts).

Links: Beispielhafter Verlauf eines experimentell erhaltenen S-Parameters über der Positronen-Implantationsenergie mit Ergebnis eines Fits.

Rechts: Daraus ermittelte Defektverteilung über der Probentiefe mit Hilfe der Routine VEPFIT [2].


 

Eigenschaften des monoenergetischen Positronenstrahls SPONSOR

 

  • magnetisch geführter Positronenstrahl aus einer intensiven  22Na-Quelle

  • Strahldurchmesser: d ~ 4 mm

  • Beschleunigungsspannung für Positronen: 30 eV bis 36 keV

  • Energieauflösung: (1.09 + 0.01) keV bei 511 keV

  • zwei Germanium-Detektoren für koinzidente Dopplerverbreiterungsspektroskopie

Schematische Darstellung des Positronenstrahlsystems SPONSOR zur tiefenaufgelösten Defektcharakterisierung mit Positronen.

Schematische Darstellung des Positronenstrahlsystems SPONSOR zur tiefenaufgelösten Defektcharakterisierung mit Positronen.

 

Referenzen

  1. W. Anwand, G. Brauer, M. Butterling, H. R. Kissener, A. Wagner, Design and Construction of a Slow Positron Beam for Solid and Surface Investigations. Defect and Diffusion Forum, 331 (2012) 25-40. https://www.scientific.net/DDF.331.25
  2. A.F. Makhov, The Penetration of Electrons into Solids. 1. The Intensitiy of an Electron Beam, Transverse Paths of Electrons. Fiz. Tverd. Tela+, 2(9):1934–1941,1961.
  3. A. van Veen A, H. Schut, J. de Vries, R.A. Haakvoort, M.R Ijpma, Analysis of positron profiling data by means of VEPFIT, In Positron Beams for Solids and Surfaces, vol. 218. Edited by: Schultz PJ, Massoumi GR, Simpson PJ. New York: AIP; 1991:171–218.

Aktuelle Publikationen

Vacancy cluster in ZnO films grown by pulsed laser deposition
Wang, Z.; Luo, C.; Anwand, W.; Wagner, A.; Butterling, M.; Azizar Rahman, M.; Phillips, M. R.; Ton-That, C.; Younas, M.; Su, S.; Ling, F. C. C.;
Undoped and Ga-doped ZnO films were grown on c-sapphire using pulsed laser deposition (PLD) at the substrate temperature of 600 oC. Positron annihilation spectroscopy study (PAS) shows that the dominant VZn-related defect in the as-grown undoped ZnO grown with relative low oxygen pressure P(O2) is a vacancy cluster (most likely a VZn-nVO complex with n=2, 3) rather than the isolated VZn which has a lower formation energy. Annealing these samples at 900oC induces out-diffusion of Zn from the ZnO film into the sapphire creating the VZn, which favors the formation
of vacancy cluster containing relatively more VZn. Increasing the P(O2) during growth also lead to the formation of the vacancy cluster with relatively more VZn. For Ga-doped ZnO films, the oxygen pressure during growth has significant influence on the electron concentration and the microstructure of the VZn-related defect. Green luminescence (GL) and yellow luminescence (YL) were identified in the cathodoluminescence study (CL) study, and both emission bands were quenched after hydrogen plasma treatment.
Keywords: Vacancy cluster ZnO pulsed laser deposition positron annihilation spectroscopy photo luminescence

3D Local Manipulation of the Metal-Insulator Transition Behavior in VO2 Thin Film by Defect-Induced Lattice Engineering
Jia, Q.; Grenzer, J.; He, H.; Anwand, W.; Ji, Y.; Yuan, Y.; Huang, K.; You, T.; Yu, W.; Ren, W.; Chen, X.; Liu, M.; Facsko, S.; Wang, X.; Ou, X.;
The ability to manipulate the metal-insulator transition (MIT) of metal oxides is of critical importance for fundamental investigations of electron correlations and practical implementations of power efficient tunable electrical and optical devices. Most of the existing techniques including chemical doping and epitaxial strain modification can only modify the global transition temperature, while the capability to locally manipulate MIT is still lacking for developing highly integrated functional devices. Here, lattice engineering induced by the energetic noble gas ion allowing a 3D local manipulation of the MIT in VO2 films is demonstrated and a spatial resolution laterally within the micrometer scale is reached. Ion-induced open volume defects efficiently modify the lattice constants of VO2 and consequently reduce the MIT temperature continuously from 341 to 275 K. According to a density functional theory calculation, the effect of lattice constant variation reduces the phase change energy barrier and therefore triggers the MIT at a much lower temperature. VO2 films with multiple transitions in both in-plane and out-of-plane dimensions can be achieved by implantation through a shadow mask or multienergy implantation. Based on this method, temperature-controlled VO2 metasurface structure is demonstrated by tuning only locally the MIT behavior on the VO2 surfaces.
Keywords: Metal–insulator transition VO2

Investigating the structure of crosslinked polymer brushes (brush-gels) by means of Positron Annihilation Spectroscopy
Dehghani, E. S.; Aghion, S.; Anwand, W.; Consolati, G.; Ferragut, R.; Panzarasa, G.;
Polymer brushes can be useful as small-scale reactors for the controlled synthesis of nanoparticles, an approach which is gaining increasing interest. In this context, chemical crosslinking of polymer brushes could be considered as a viable approach to control the size and size distribution of the formed nanoparticles. Here we describe the application of Positron Annihilation Spectroscopy (PAS) for the characterization of crosslinked polymer brushes (brush-gels). Poly(hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) brushes were obtained on silicon substrates by means of a surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP). Crosslinking was achieved during the polymerization by adding different amounts of diethyleneglycol dimethacrylate (DEGDMA) as a difunctional monomer. The resulting brushes, both un- and crosslinked, were then post-modified with carboxylic acid groups, allowing the in situ synthesis of silver nanoparticles after ion exchange with silver nitrate and reduction with sodium borohydride. The detailed characterization of such systems is notoriously challenging and PAS proved to be an effective, non-invasive technique to acquire insight on the structure of the brushes and of their nanoparticle composites.
Keywords: Polymer brushes nanoparticles Positron Annihilation Spectroscopy

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