正电子谱学原理.docx
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正电子谱学原理
正电子谱学原理
⏹正电子
⏹正电子湮没
⏹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
Doppler展宽的线性参数
⏹正电子源
放射性同位素
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：
正电子谱学应用之一
OpenvolumedefectsofsuperconductingthinfilmYBa2Cu3O7-
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。
⏹OpenvolumedefectsofsuperconductingthinfilmYBa2Cu3O7-
空位型缺陷与沉积条件的关系
XYZhouetal,
JPhys.CM9,L61
Phys.Rev.B54,1398
Phys.Lett.A225,143
PhysicaC281,335
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
1080
1079
1087
1086
1003
1078
外延层厚（nm）
920
920
670
680
740
1130
生长温度（℃）
RT
400
475
525
575
700
Sd/Sb
1.136
1.107
1.023
1.022
1.003
1.002
Sd/Sb
空位型缺陷类型
1.02~1.03
单空位
1.03~1.04
双空位
>1.5
大的空位或空位团
不同生长温度下分子束外延样品S参数
XYZhouetal,MaterialsScienceForum363-365（2001）,475;
⏹结论生长温度与薄膜质量
室温
小空位团
500℃左右
单空位
575℃
空位型缺陷基本消失
700℃
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
E（keV）
I（μA）
D（ions/cm2）
t2（min）
P+
90
0.5
2×1014
20
P2+
180
0.25
1×1014
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
未退火
450（℃）
475（℃）
500（℃）
525（℃）
x1（nm）
94.3
87.4
74.8
69.2
63.7
x2（nm）
250.1
240.1
200.7
194.7
186.8
Sd/Sb
1.026
1.019
1.022
1.017
1.008
K（λb）
32
28
26
25
23
Δx（nm）
155.8
152.7
125.9
125.5
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
未退火
450（℃）
475（℃）
500（℃）
525（℃）
x1（nm）
71.3
67.5
77.1
64.8
57.4
x2（nm）
248.1
234.1
201.7
214.8
201.0
Sd/Sb
1.025
1.020
1.022
1.031
1.011
K（λb）
34
27
30
27
24
Δx（nm）
176.8
166.6
124.6
150.0
143.0
⏹结论（方势阱拟合）
注入引起的缺陷类型
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
退火不改变缺陷类型，只引起缺陷浓度的变化
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
均匀介质模型：
块材衬底
理想线形接触模型
线形全吸收模型
有限厚度全吸收模型
有限厚度模型
⏹Al/GaAs
⏹Au/GaAs
⏹Al/GaAs的退火效应
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