大学物理实验--正电子谱学及其应用

正电子谱学原理 ........................................................................................................................................................ 1 正电子谱学基本实验技术 ........................................................................................................................................ 3 正电子谱学应用之一 ................................................................................................................................................ 5 正电子谱学应用之二 .............................................................................................................................................. 10 正电子谱学应用之三 .............................................................................................................................................. 11 正电子谱学应用之四 .............................................................................................................................................. 13

正电子谱学原理

正电子 正电子湮没

een(n2,3...)

双光子湮没

n = 2

正电子寿命

湮没光子的能量和Doppler展宽 湮没光子的角关联

2湮灭过程中动量守恒的矢量图

PT/M0C

EcPL/2

Doppler展宽的线性参数

正电子源

放射性同位素

221122Na11Nee(1.28MeV)

单能慢正电子束

正电子实验

正电子湮没技术（70年代） 正电子湮没谱学（80年代） 正电子谱学（90年代后期） 正电子谱学的主要特点：

对固体中原子尺度的缺陷研究和微结构变化十分敏感，是其他手段无法比拟的。 对研究材料完全无损伤，可进行生产过程中的实时测量，能够满足某些特点的测量要求。 理论比较完善，可以精确计算很多观测量同实验进行比较。

固体内部的信息由光子毫无失真的带出，对样品要求低，不需特别制备或处理，不受半导体导电类型和载流子浓度等因素影响。

作为电子的反粒子，正电子容易鉴别，又能形成电子偶素，可以替代电子探针来获得材料中更多的信息，在许多实验中能够大大降低电子本底。

正电子谱学基本实验技术

正电子寿命谱

湮灭能谱的Doppler展宽及其S参数 湮没辐射的角关联 慢正电子束

慢正电子束装置 单能正电子的注入深度 正电子扩散

慢正电子束流的慢化体结构

其中，S: 22Na源 P: 铅屏蔽 M: 钨慢化体 T: 靶材料

C: 有补偿线圈 D: 高纯锗探测器 E: 液氮冷却装置

Slowpos-USTC：慢电子束流装置示意图

Slowpos-USTC：慢电子束的数据测量和控制系统

慢正电子束特点：

可探测真实表面（几个原子层）的物理化学信息 探测物体内部局域电子密度及动量分布 可获得缺陷沿样品深度的分布

单能正电子平均注入深度的经验公式：

ZAEn其中A400/(A/keVn)，为靶密度(g/cm3)

E为正电子注入能量(keV)n1.62正电子谱学应用之一

Open volume defects of superconducting thin film YBa2Cu3O7-

高温超导体中空位型缺陷不仅是不可避免的，而且也是必须的。外延薄膜的临界电流密度比相应的块材单晶高约三个量级。单能慢正电子束是研究薄膜空位型缺陷的有效方法。 Open volume defects of superconducting thin film YBa2Cu3O7-

空位型缺陷与沉积条件的关系

X Y Zhou et al , J Phys. CM 9, L61 Phys.Rev. B54, 1398 Phys.Lett. A225, 143 Physica C 281, 335

相同空气分压，衬底温度越高，正电子平均寿命越小

相同衬底温度，空气分压越高，正电子平均寿命越大

空位型缺陷的正电子寿命(360ps)不变

结论

空位型缺陷的类型与沉积条件无关

相同空气分压，衬底温度越高，缺陷越少；相同衬底温度，空气分压越高，缺陷越多 空位型缺陷对应的是阳离子空位及其复合体

正电子寿命的温度依赖关系

平均寿命随温度的降低而降低

I2 随温度的降低而降低

Tau2随着温度的降低而升高

（块材）平均寿命随温度的降低而升高

（块材）Tau2 与和掺杂量温度无关

Summary

深浅捕获中心共存

深捕获中心（缺陷）在低温下有长大的趋势，可能形成心的磁通钉扎中心

结论

高温超导薄膜中存在两类缺陷

浅捕获中心——位错、孪生晶界等 深捕获中心——阳离子空位及其复合体

阳离子空位及其复合体的尺度与沉积条件无关 低温下，缺陷有长大的趋势

正电子谱学应用之二

分子束外延硅薄膜的质量评价

分子束外延生长半导体薄膜

衬底温度的重要性—最佳生长温度LT—MBE 慢正电子束技术—无损检测外延膜质量

实验结果

样品号 外延层厚（nm） 生长温度（℃） Sd/Sb 1080 920 RT 1.136 1079 920 400 1.107 Sd/Sb 1.02~1.03 1.03~1.04 >1.5 1087 670 475 1.023 1086 680 525 1.022 空位型缺陷类型 单空位 双空位 大的空位或空位团 1003 740 575 1.003 1078 1130 700 1.002

不同生长温度下分子束外延样品S参数

X Y Zhou et al, Materials Science Forum 363-365 (2001), 475 ;

结论 生长温度与薄膜质量

室温 500℃左右 575℃ 700℃ 小空位团 单空位 空位型缺陷基本消失 锑扩散的影响 正电子谱学应用之三

离子注入硅产生的缺陷及其退火行为

注入及退火条件

P+ P2+ E(keV) 90 180 I(μA) 0.5 0.25 D(ions/cm2) 2×1014 1×1014 t2(min) 20 20

P+注入样品的实验S参数 P+注入硅引起的缺陷及其退火行为

退火温度 x1(nm) x2(nm) Sd/Sb K(λb) Δx(nm) 未退火 94.3 250.1 1.026 32 155.8 450（℃） 87.4 240.1 1.019 28 152.7 475（℃） 74.8 200.7 1.022 26 125.9 500（℃） 69.2 194.7 1.017 25 125.5 525（℃） 63.7 186.8 1.008 23 123.1

P2+注入样品的实验S参数 P2+注入硅引起的缺陷及其退火行为

退火温度 x1(nm) 未退火 71.3 450（℃） 67.5 475（℃） 77.1 500（℃） 64.8 525（℃） 57.4 x2(nm) Sd/Sb K(λb) Δx(nm)

结论（方势阱拟合）

248.1 1.025 34 176.8

234.1 1.020 27 166.6

201.7 1.022 30 124.6

214.8 1.031 27 150.0

201.0 1.011 24 143.0

1．注入引起的缺陷类型

2．损伤区域随退火温度增加而变窄；即前沿、后沿均向注入面移动 3．退火不改变缺陷类型，只引起缺陷浓度的变化 4．P分子离子注入的缺陷层厚一些

正电子谱学应用之四

界面微结构变化的慢正电子研究

描述界面的模型

S = FSSS+FOSO+FISI+FBSB

FS+FO+FI+FB = 1

界面的五种物理模型

1．均匀介质模型：块材衬底 2．理想线形接触模型 3．线形全吸收模型 4．有限厚度全吸收模型 5．有限厚度模型

Al/GaAs

Au/GaAs

Al/GaAs 的退火效应