- 220
189« Fische F#,Glimmer G, Quant ennousb eut e fur den Photochemischen Abbou fon 0 -Zentren in KCl,- Zeitschrift fur Physik, 1966, b.189, h.97-112.
190, Niminen R.N,,Manninen KU Positrons in Imperfect Solids: Theorija*- in: Positrons in Solids/ed.P.Hautojarvi,-Heidelberg: Springer, 1979, p* 197-243,
- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ................................................ 5
Глава I. Обзор экспериментальных и теоретических работ по исследованию аннигиляции позитронов в щелочногалоидных кристаллах и полупроводниках .............................Ю
1.1. Аннигиляция позитронов и позитрония в веществе и её
характеристики » Ю
1.2. Аннигиляционные характеристики позитронов в щелочно-
шлоидных кристаллах и полупроводниках с низкой концентрацией дефектов ..*•••..•• ........................ 14
1.2Л. Щелочногалоидные кристаллы с низкой концентрацией
дефектов • 15
1.2.2. Полупроводниковые кристаллы с низкой концентрацией
дефектов -..............................................27
1.3. Модели позитронных состояний в идеальных щелочногалоидных и полупроводниковых кристаллах ........................ 35
1.3.1. Позитронные состояния в щелочногалоидных кристаллах • 36
1.3.2. Позитронные состояния в полупроводниках ....... 49
1.4. Аннигиляция позитронов в кристаллах с высокой концентрацией дефектов. Аннигиляционные центры. * . . . 57
Глава 2. Описание экспериментальной аппаратуры, методики
эксперимента и обработки экспериментальных данных . • 85
2.1. Установка для измерения углового распределения анни-
гиляционных фотонов..................................... 85
2.1.1. Механическая часть установки .... ..................... 88
2.1.2. Электромагнит ............................................ 88
2.1.3. Вакуумная аннигиляционная камера ....................... 88
2.1.4. Коллиматоры.............................................. 90
2.1,5. Система отработки угла поворота подвижного плеча . • 90
- 3 -
2.1.6. Детекторы......................................... 90
2.1.7. Электронно-регистрирувщее устройство "Кедр" ... 90
2.1.8. Блоки питания .... .................................. 100
2.1.9. Погрешность измерений ............................... 101
2.2. Измерение спектров времени жизни позитронов . . . 102
2.3. Измерение вероятности 3 }( - аннигиляции позитронов 105
2.4. Математическая обработка результатов.экспериментов 108
2.4.1. Обработка кривых УРАФ ............................... 108
2.4.2. Обработка спектров времени жизни ............... 110
2.5. Приготовление образцов и источников позитронов . . III Глава 3. Делокализованные и локализованные позитрониевые
состояния в ЩГК ...................................... 114
3.1. Обнаружение и исследование "высокотемпературных" делокализованных позитрониевых состояний в кристаллах Na Cd повышенной чистоты .................................. 115
3.1.1. Обнаружение "высокотемпературного" делокализованно-
го А в NdCt повышенной чистоты..........................115
3.1.2. Исследование позитрониевых состояний в кристаллах
Na Cd О1*4)............................................ 126
3.2. Аннигиляция позитронов в щелочногалоидных кристаллах легированных примесями .................................... 141
3.2.1. Исследование влияния электроно-акцепторных примесей на образование позитрониевых состояний в щелочногалоидных кристаллах..........................................143
3.2.2. Аннигиляция позитронов в кристаллах С BZ , активированных ионами лития ..... ................................. 154
Глава 4. Исследование аннигиляции позитронов в полупроводниках ........................................................ 162
4.1. Поиск и исследование позитрониевых состояний в полу-
_ 4 -
проводниках ...... ..................................... 162
4.1.1. Поиск позитрониевых состояний в кристаллах Зс ,
5е ЛаЬ V Со/Те ........................................ 162
4.1.2. Исследование аннигиляции позитронов в облученных полупроводниковых кристаллах 5(. П - и /2. - типа 166
4.1.3. Обнаружение позитрониевых.состояний в кластерных кристаллах 174
4.2. Наблюдение изменений электронной структуры в кристаллах кремния при возбувдении в них акустических колебаний большой амплитуды . .................................. 187
4.3. Исследование влияния малых доз позитронного облучения на дефектность эпитаксиальных структур Оа^, подвергнутых двойному легированию ( & , 6/г ) . . 192
Заключение...............................................197
Справка об использовании квтериалов диссертационной
работы .................................................
Литература *.......................................... 201
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ В настоящее время метод аннигиляции низкоэнергетических позитронов все более широко применяется для исследования внутренней структуры вещества.Являясь не очень сложным в техническом отношении, не разрушающим, не загрязняющим образец и не требующим специальной его подготовки, данный метод позволяет получать непосредственную информацию о волновой функции электрона и позитрона в момент их столкновения.
Наиболее широко позитронный метод используется в исследованиях металлов и сплавов. В этой области метод позволяет получать информацию о форме поверхности Ферми, а также об электронной структуре дефектов и их энергетических характеристиках* фазовых переходах, которые, в совокупности, определяют многие используемые в практике свойства металлов и сплавов.
Успехи, достигнутые в решении упомянутых задач позитронным методом, связаны с тем, что в указанных материалах реализуется относительно небольшой набор гтозитронных состояний. Это облегчает выбор модели аннигиляции позитронов, её теоретическую проверку и уточнение, что обеспечивает однозначность и корректность получаемой информации.
Принципиальная возможность применения метода аннигиляции позитронов для исследования неметаллических материалов, в частности щелочногалоидных кристаллов и полупроводников, в настоящее время сомнений не вызывает. Метод может применяться для исследования дефектов структуры,, с которыми, так или иначе связаны.используемые в практике .свойства .ЩГК и .полупроводников*. Однако,, реализация этих .возможностей в настоящее время, сдерживается .тем, что... число и природа, возможных состояний .позитронов.даже в "бездефект-ных"указанных кристаллах окончательно не установлены. Это существенно затрудняет корректную "расшифровку" данных, получаемых с
- 6)
помощью позитроного метода, ограничивает ценность получаемой информации и не позволяет правильно оценить круг задач, которые могут решаться с помощью данного метода.
Даким образом, актуальность темы исследования определяется тем, что для научно обоснованного использования позитроного метода для исследований ионных кристаллических диэлектриков и полупроводников необходимо знание структуры позитронных состояний в них в зависимости от внешних условий и состояния образца, а также особенностей аннигиляции позитронов из этих состояний в твердых телах;
Особое место в позитронике твердого тела занимает изучение позитрониевых состояний. Уже первые работы, выполненные в этом направлении, показали, что очень часто свойства этих состояний значительно отличаются от свойств свободного позитрония#
Цель работы. Целью настоящей работы является поиск и комплексное экспериментальное исследование позитрониевых состояний и механизмов их образования в щелочногалоидных кристаллах и полупроводниках, а также определение областей практического использования позитронного метода в физике твердого тела.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в том, что в ходе исследований были обнаружены новые явления и закономерности аннигиляции позитронов в ЩГК и полупроводниках, которые состоят в следующем:
1 ) впервые экспериментально обнаружены стабильные при высокой температуре (^500 К) делокализованные позитрониевые состояния
в ЩГК (на примере ИаС? высокой чистоты,(содержание основной примеси Са&г 1(Г^ моль.долей), исследованы их основные характеристики и показано, что определяющим условием для их существо-г вания является совершенство кристаллической решетки.
2 ) получены прямые экспериментальные свидетельства того,
- 7 -
что в совершенных ЩГК (концентрация вакансионных дефектов
ТС О
см ), кроме делокализованных, существуют локализованные позитрониевые состояния.
3) в результате проведенных исследований легированных акцепторными примесями ЩГК получены доказательства возможности шпурового механизма образования позитрониевых состояний в них.
4) впервые экспериментально установлено существование локализованных позитрониевых состояний в кластерных кристаллах полупроводников (на примере селена, диспергированного в цеолит
А/а А )#
Практическая ценность. Практическая ценность работы состоит в том, что результаты проведенных в данной работе комплексных исследований ЩГК и полупроводников являются основой для новых приложений метода аннигиляции позитронов для неразрушающего контроля качества названных материалов. Чувствительность метода
15 -3
при этом находится на уровне: ^Кг см нарушений кристаллической решетки (по исследованию условий существования делокали-
гч Т7 ТА 3
зованных позитрониевых ( г$ ) состояний в ЩГК); 10 ~10АО см“
акцепторных дефектов (по исследованию условий существования лоту то о
кализованных р$ состояний в ЩГК); ^ Кг -10А см примесно-вакансионных дефектов (по исследованию захвата позитронов вакан-сионными дефектами, в состав которых входит примесь). Метод аннигиляции позитронов позволяет контролировать образование оборванных химических связей, возникающих при деформировании полу-проводниковых кристаллов с преимущественно ковалентным её характером путем возбуждения в них ультразвуковых колебаний большой амплитуды. Кроме того, метод позволяет проводить оценки межмо-лекулярных расстояний в кластерных полупроводниковых кристаллах (по характеристикам локализованного Рв ), а радиоизотоп-ные источники позитронов могут использоваться для уменьшения
- 8 -
дефектности полупроводниковых структур.
Результаты работы позволяют сформулировать следующие положения, выносимые на защиту:
1. В ЩГК существуют позитрониевые состояния двух видов: де-локализованные и локализованные в матрице кристалла. При этом делокализованные Рб состояния оказываются чувствительными
к степени совершенства кристаллической решетки и проявляются только в кристаллах с концентрацией вакансионных дефектов < Ю15 см-3.
2. Возможныммеханизмом образования позитрониевых состояний в матрице ЩШ является шпуровый механизм.
3. В кластерных кристаллах полупроводников существуют состояния позитронов, имеющие позитрониевую природу.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы опубликованы в 12 печатных работах и докладывались на следующих научно-технических конференциях и совещаниях: "Радиационная физика и технология", 1ула, 1979 г.,* XXXI, XXXII, XXXIII Всесоюзные совещания по прикладной ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, на Всесоюзных совещаниях "Широкозонные материалы для полупроводниковых детекторов ядерного излучения" (21-23 мая 1980 г., г.Новосибирск) и "Исследование арсенида галлия"(21-23 сентября 1982 г., г.Томск). Материалы диссертации докладывались на семинаре лаборатории медленных позитронов Института электроники АН Узб. ССР. Законченная и оформленная диссертация доложена и обсуждена на семинаре лаборатории 13 и 21 НИИ Я$ при ТЛИ, ПНИЛ ЗДиП ТПИ(г. Томск) кафедры § ТТ.-МШИ им. Ленина (г/ Москва), ИХ§ АН СССР (г. Москва), на семинаре отделов ядерной физики, теоретической физики и рентгеновской спектроскопии НИИ физики при РГУ (г. Ростов-на-Дону).
Обьем и структура диссертации. Диссертация состоит из введе-
9
ния, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 190 наименований. Содержание диссертации изложено на 149 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 24 таблицы. Общий объем диссертации 220 страниц.
10
Глава І. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АННИГИЛЯЦИИ ПОЗИТРОНОВ В ЩЕЛОЧНОГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛАХ И ПОЛУПРОВОДНИКАХ
І.І. Аннигиляция позитронов и позитрония в веществе и её характеристики
Источниками позитронов в экспериментах по позитронной аннигиляции в веществе обычно являются стабильные радиоактивные изотопы, .например, /V'а Сиподходящей активности
[1*2]. Энергетическое распределение позитронов в таких случаях имеет вид непрерывного спектра /5 - распада с максимальной энергией Е/пах'* (5ВД кэВ для //а ) и средней энергией /гм
(~340 кэВ для Л/а ). Позитроны, имплантированные в образец,
ІЗ -12
за время ~ 10 - 10 с теряют свою энергию до тепловой
(термализуются) в результате возбуздения и ионизации атомов среды, упругих столкновений с атомами или ионами и взаимодействия с фононами [ 3-5]. Профили остановившихся позитронов, таким образом, во многом определяются свойствами материала (см., например [б]). Поскольку эффективное сечение аннигиляции обратно пропорционально относительной скорости электрона и позитрона ^7^, то вероятность аннигиляции на лету незначительна и большая часть позитронов аннигилирует с электронами после тер-мализации. При аннигиляции позитрона и электрона суммарная их масса покоя переходит в энергию, которая излучается в виде квантов. Число испущенных ^ -квантов и вид спектра излучения зависят-от ориентации спинов сталкивающихся частиц [ 1,2}.
Наиболее вероятным является процесс аннигиляции с испусканием двух $ -квантов* При увеличении числа испускаемых ^ -квантов на единицу сечение процесса аннигиляции умножается на величину ПОрЯДКа ПОСТОЯННОЙ ТОНКОЙ Структуры (7^ * І/І37, т.е.
- II
вероятность процесса аннигиляции уменьшается более чем на два порядка* Возможна однофотонная аннигиляция электрон-позитрон-ной пары, однако её вероятность пренебрежима мала, поскольку для её осуществления необходимо присутствие третьего тела, воспринимающего импульс отдачи. При 2-х фотонной аннигиляции энергия испущенных у -квантов близка к 0,51 МэВ, тогда как в случае трехфотонной аннигиляции спектр излучения непрерывный от 0 до 0,51 МэВ (рис* 1.1«) [7] .
Дираком [7] было показано, что вероятность 2 ^-квантовой аннигиляции в единицу времени (скорость аннигиляции Л ) в нерелятивистском приближении пропорциональна электронной плотности в точке нахождения позитрона р
где <к - постоянная тонкой структуры.
На практике измеряют обратную величину скорости аннигиляции - время жизни позитрона, которая позволяет, таким образом, получать информацию об электронной плотности вещества.
Если центр масс аннигилирующей пары покоится, то, согласно закону сохранения энергии и импульса, у -кванты испускаются в противоположных направлениях с одинаковыми энергиями равными Е=0,51 МэВ. При движении центра масс угол между направлениями разлета у -квантов будет отличаться от 180°, а энергия (Р-квантов от величины 0,51 МэВ на величины (рис. 1.2).
# = — 1.2. д£=^ 1.3.
таС Л с 2
где и Рц - поперечная и продольная составляющие импульса аннигилирующей пары относительно направления разлета # -квантов, С - скорость света, гПо - масса покоя электрона. 1&ким образом, измерение угла 6 - отклонения угла разлета у -кван-
- 12 -
1,0
Ц)
0,5
0.2 0Л 0,6 0,6 1,0
Е* /т0 Са
Рис. 1Л. Энергетический спектр у -квантов при двухквантовой и трехквантовой аннигиляции.
г
Рис. 1.2. Импульсная диаграмма процесса двухфотонной аннигиляции позитрон-электронной пары.
4
- ІЗ -
тов от 180° или допплеровского уширения аннигиляционной линии 51 МэВ позволяет, в принципе, исследовать импульсное распределение аннигилирующих пар, а поскольку считается, что тер-мализованный позитрон покоится [1,2] , тем самым исследовать импульсное распределение электронов вещества*
Электрон и позитрон могут образовывать связанную водородоподобную систему - атом позитрония ( /$ ). Вследствие отличия в
массах протона и позитрона значение энергии атома позитрония оказывается вдвое меньше, а радиус орбиты вдвое больше, чем у атома водорода [і*2] . В основном состоянии атома позитрония (Д 3 I) энергия связи равна * 6,77 эВ, а боровский радиус йр$=.2&о а 1,06 А ( а0- первый боровский радиус атома водорода)*
В зависимости от взаимной ориентации спинов электрона и позитрона различают два основных состояния атома позитрония: синглетное состояние 50 (парапозитроний,р -/& ), если спин электрона и позитрона антипараллельны (суммарный спин равен 0) и триплетное состояние ^>7 (ортопозитроний, О- ), если спины электрона и позитрона параллельны (суммарный спин равен единице). Для ортопозитрония возможны три подсостояния, различающиеся магнитными квантовыми числами т * +1, О, -I. Для парапозитрония /71 = 0* Поэтому относительные статистические веса орто- и парапозитрония равны соответственно 3/4 и іД. Энергия синглет-триплетного расщепления л\>/ = 8,4 10“^ эВ. Позитроний в синглетном состоянии испытывает 2 у -аннигиляцию и среднее время его жизни относительно спонтанной аннигиляции:
Триплетный позитроний распадается на Зу -кванта и характерное время его жизни относительно самоаннигиляции:
- 14 -
-1,4 Ю“7 с
Внешнее магнитное поле приводит к расщеплению уровней атома позитрония (эффект Зеемана) [ 7] и, к так называемому, магнитному тушению ортопозитрония [б] , которое проявляется в том, что уровень парасостояния смешивается с подуровнем с магнитным квантовым числом т =* о ортосостояния, а это, в силу большой вероятности 2^-процесса, приводит к увеличению числа распадов на-два у -кванта.
Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования позитрония в веществе, проведенные к настоящему времени [ 1,2,4,7,8-12] показали, что вероятность образования, стабильность, время жизни и механизм гибели атомов позитрония в сильной степени зависит от свойств окружающей среды, служат её характеристиками.
Вышеописанные свойства позитрона и позитрония позволяют получать специфическую информацию о "судьбе" позитронов, имплантированных в образец, которая, как оказалось [1~15] , определяется внешними условиями и характеристиками самого материала.
1.2. Аннигиляционные характеристики позитронов в щелочногалоидных кристаллах и полупроводниках с низкой концентрацией дефектов-
Исследования, проведенные к настоящему времени по изучению аннигиляции позитронов в ЩГТС и полупроводниках,мы будем разделять, следуя Л.ЯЪираврисг [щ] $ На две категории:
1) Работы с кристаллами с низкой концентрацией дефектов.
2) Работы с образцами с высокой концентрацией дефектов.
Под кристаллами с низкой концентрацией дефектов мы .будем понимать кристаллы не подвергавшиеся специальным воздействиям, приводящим к созданию дефектов.
15
1.2.1. Щелочногалоидные кристаллы с низкой концентрацией
дефектов
В 1964 году Бизи с сотрудниками обнаружили сложную структуру спектров времени жизни позитронов для условно чистых ЩГК, которые разлагались по крайней мере на две независимые компоненты [ 16] . Это стимулировало интенсивные исследования в этой области [16-23, 25]. Различными авторами применялось различное число компонент для описания экспериментальных спектров с помощью соответствующих программ для ЭВМ (например [24]), что делает невозможным их сравнение. В тех случаях, когда при разложении применяется одинаковое число компонент, наблюдаются количественные расхождения в данных разных авторов, которые, очевидно, связаны с различиями во временном разрешении применяемых установок, неадекватными условиями экспериментов и различным происхождением и .предисторией образцов [14] . Л. -
В таблице 1.1. в качестве примера приведены результаты изучения спектров времени жизни позитронов в ЩГК в работе [17] , а на рис. 1.3. показан спектр для кристалла . Во всех
исследованных ЩГК наблюдаются две значительные компоненты:
£/ * (0,13-0,43) не и % * (0,3- 0,81) не с интенсивностями С Т/ ) и ( Л ). Компоненты с Г/< 0,2 не и > 0,7 не выделяются лишь для некоторых ЩГК. В таблице не приведена долгоживущая компонента (£"/*<:/ ) с длительностью несколько не, параметры которой зависели от техники приготовления образца с источником и которая, по мнению авторов [П] не связана с аннигиляцией позитронов в образце'. В общем случае времена жизни и зависят, от. молекулярной плотности ЩГК и их агрегатного состояния (рис. 1.4., табл. 1.2).
Исследования влияния внешнего магнитного поля на спектр
Тб-
Таблица 1.1.
Спектр времени жизни позитронов в щелочногалоидных кристаллах: разложение на две компоненты [17] .
Кристалл А.пс Ц пс *•» А* %ц,%
132*07 297+09 31*2 63,1*3,1
На/ 193*10 390*09 27*2 66,0*3,2
КР 180*09 424*13 34*2 50,0*2,5
Л1С[ 236*12 435*13 51*4 49,1*2,4
на се 313*16 684*20 65*5 27,6*0,9
нее 275*14 628*19 48*4 41,3*2,0
не ее 199*10 456*14 27*3 59,3*3,0
СзСС 202*11 451*14 42*4 54,6*2,7
</.1 Зг 297*15 556*17 79*6 17,1*0,8
А/аЗг 292415 746*22 72*6 16,5*0,7
КВх 347*17 755*22 64*6 24,2*1,2
С&Зг 339417 686*21 55*5 22,2*1,1
А/а/ 327417 660*20 85*7 12,9*0,6
/г/ 328418 776*23 82*7 10,4*0,5
//61 401420 784*54 63*5 19,6*0,9
Сз! 425421 805*24 53*5 24,1*1,2
счет б канале
17
номер канеш
Рис. 1.3. Спектр времени жизни позитронов в бромиде цезия То - 1,26 КГ10 о . Г/ = 3,39 1(Г10с - 6,86 10"10с [17] .
18
Рис. 1*4. Зависимость, скорости аннигиляции позитронов
Г'1
Г от молекулярной плотности галогенидов:
<4 - меди, О - серебра, А - золота, а - таллия (см. текст). [20]
Таблица 1.2.
Температурные зависимости временных распределения аннигиляции позитронов в некоторых щелочногалоидных поликристаллах [19] .
Кристалл т.н Состояние Тх , Ю"10с Тг, Ю"10с 1ЛЛ I* Л
шее 295 твердое 3,2*0,22 6,70*0,27 79*8 17,1-1,5
// 423 твердое 3,15-0,22 6,50*0,26 68*7 25,0*1,5
//— 523 твердое 3,25*0,23 5,72-0,27 80*8 22,9*1,5
п 723 твердое 3,50*0,24 6, 75-0,27 78-8 20,3*1,5
//" 973 твердое 3,63*0,25 6,64-0,27 77*8 17,7*1,5
“ / / —— 1123 жидкое - 4,90*0,19 - 100 *5
//-— 1123 жидкое - 4,80*0,19 - 104 *5
к ее 295 твердое 2,89-0,20 6,68*0,27 62-6. 41,2*3,0
// 673 твердое 3,48-0,24 7,92+0,32 65*6 37,9*3,0
п 1083 ,. жидкое ■ ■ 3,07*0,21 •9,09-0,36 ’' 49-5 “■ 53,9*3,5
- Київ+380960830922