materialforschung mit positronen - martin-luther...
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Materialforschung mit Positronen Materialforschung mit Positronen --die intensive Positronenquelle EPOSdie intensive Positronenquelle EPOS
R. Krause-Rehberg
• Historische Einführung• Die Techniken der Positronenannihilation• Anwendung in der Materialforschung• EPOS = ELBE Positron Source
Martin-Luther-Universität
Halle-Wittenberg
Martin-Luther-Universität Halle
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HistorischesHistorisches
• D.A.M. Dirac, Vorhersage des Positrons schon 1928; Interpretation der Zustände negativer Energie, die sich als Lösungen der Dirac-Gleichung ergeben; (Nobelpreis 1933) Dirac D.A.M. (1928): Proc. Roy. Soc. 117, 610
Martin-Luther-Universität Halle
• C.D. Anderson entdeckte mit Wilson-Kammer 1932 das Positron in der Höhen-strahlung (Nobelpreis 1936) Anderson C.D. (1932): Science 76, 238
• wies 1937 zusammen mit S. H. Neddermeyer das µ-Meson nach
• 1933 exakter Nachweis der Paarerzeugung von Elektronen und Positronen durch Gammaquanten
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HistorischesHistorisches
Martin-Luther-Universität Halle
• bei Annihilation gilt Energie- und Impulserhaltungssatz
Annihilation γ-Quantum
(511 keV = m0c2)
Annihilation γ-Quantum
(511 keV = m0c2)• in 40er Jahren:
Wechselwirkung des Positrons mit Materie
• Vorhersage (Mohorovicic, 1934) und Nachweis (Deutsch, 1951) von Positronium als gebundenen Zustand eines Positrons mit einem Elektron
• erste Experimente zur Elektronenstruktur von Festkörpern (Behringer and Montgomery, 1942; de Benedetti et al. 1950)
• Wieso ist das möglich? Methode der Winkel-korrelation der Annihi-lationsquanten, auch ACAR
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FermiFermi--FlFläächeche von Cuvon Cu
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(Berko, 1979)py along [010]
p zal
ong
[100
]
Theory Experiment
Fermi surface of copper
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Positronenlabor in HallePositronenlabor in Halle
• Gründung des Labors im Jahre 1970 auf Initiative von Prof. Otto Brümmer
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eindimensionale 2γ-Winkelkorrelationsanlage erbaut von Prof. G. Dlubek und den Werkstätten des FB
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Winkelkorrelation der AnnihilationsquantenWinkelkorrelation der Annihilationsquanten
• heute: Messung der Winkelkorrelation in zwei Dimensionen mit Flächendetektoren
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Coincidence counting rate Nc:
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2D2D--ACARACAR--System in System in TsukubaTsukuba
γ-Detektion mit zwei Arrays von SEV‘s
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Positroneneinfang durch KristalldefektePositroneneinfang durch Kristalldefekte
• bald erkannt: Kristalldefekte können Positronen einfangen -Annihilationsparameter ändern sich signifikant
• MacKenzie (1967): thermische Leerstellen in Metallen • Brandt (1968): Ionenkristalle• Dekhtyar (1969): plastisch deformierte Halbleiter
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• solche Einfangzentren sind u.a.:- Leerstellen und Leerstellenagglomerate- Versetzungen- Korngrenzen- kleine Ausscheidungen
Beispiel: attraktives Potential einer Leerstelle
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Dopplerverbreiterung der AnnihilationslinieDopplerverbreiterung der Annihilationslinie
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stürmische Entwicklung der Messtechnik und Elektronik führte in 60er Jahren zu neuen Techniken
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Messung der DopplerverbreiterungMessung der Dopplerverbreiterung
• γ-Spektroskopie mittels Ge-Detektor• auch Doppler-Koinzidenz-Spektroskopie
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Dopplerverbreiterung der AnnihilationslinieDopplerverbreiterung der Annihilationslinie
• Beispiel: plastisch deformiertes GaAs (Leipner et al.)
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506 508 510 512 514 516 518 5200.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
defect-free
defect-riche+ annihilationin GaAs
FWHM ≈ 2.6 keV
85Sr
FWHM = 1.4 keV
N
orm
aliz
ed in
tens
ity
γ-ray energy [keV]
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PositronenlebensdauerPositronenlebensdauer--SpektroskopieSpektroskopie
• einfache Start-Stopp-Lebensdauermessung durch Registrierung zweier γ-Quanten (22Na)
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Zerfallsschema von 22-Na
Annihilation γ-Quantum
(511 keV = m0c2)
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PositronenlebensdauerPositronenlebensdauer--SpektroskopieSpektroskopie
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PM=Sekundärelektronenvervielfacher; SCA=Einkanalanalysator (Constant-Fraction Typ); TAC=Zeit-Impulshöhen-Konverter; MCA= Vielkanalanalysator
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PositronenlebensdauerPositronenlebensdauer--SpektroskopieSpektroskopie
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0 1 2 3 4 5
103
104
105
106
τb = 218 psτ3 = 520 ps
τ2 = 320 ps
As–grown Cz SiPlastically deformed Si
Cou
nts
Time [ns]
PositronenlebensdauerPositronenlebensdauer--SpektroskopieSpektroskopie
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• Lebensdauerspektren bestehen aus exponentiellen Zerfallstermen
• Einfang von Positronen in Defekte mit offenem Volumen führt zu langen Komponenten im Spektrum
• Ergebnis der numerischen Auswertung: Lebensdauern τiund Intensitäten Ii
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Nachweis von LeerstellenclusternNachweis von Leerstellenclustern
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defekttypische Lebensdauern τi sind Maß für offenes Volumen im Defekt
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
theoretical calculation by Saito, Oshiyama (1996) Hakala et al. (1997) Puska, Corbel (1988)P
ositr
on li
fetim
e [p
s]
Vacancy cluster size (number of vacancies)
Leerstellenclusterin Si
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• Elektronenbestrahlung 2MeV bei 4K induziert Frenkelpaare (Paare von Leerstellen und Zwischengitter-atomen)
• Ausheilstufe bei 200 K• bei hohen Bestrahlungsdosen bilden
sich Doppelleerstellen, wenn Einzellerstellen beweglich werden
• Wegen hoher Energie der β-Teilchen: hohe Informationstiefe
• mittlere e+-Eindringtiefe in GaAs: ca. 20 µm
• oft dünne Schichten zu untersuchen (Epitaxie, Implantation, usw.)
• Positronen werden moderiert
Defekte nach Elektronenbestrahlung von GeDefekte nach Elektronenbestrahlung von Ge
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(Polity et al., 1997)
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• breite Energieverteilung im β-Spektrum
Monoenergetische Positronen: ModerationMonoenergetische Positronen: Moderation
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Monoenergetische Positronen: ModerationMonoenergetische Positronen: Moderation
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Defektprofile messen mit einem Defektprofile messen mit einem monoenergetischen Positronenstrahlmonoenergetischen Positronenstrahl
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• Eindringtiefe der Positronen durch Beschleunigungsspannung zu steuern
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Defekte nach Defekte nach IonenimplantationIonenimplantation
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• Ionenimplantation ist wichtigste Technik für das Dotieren in der planaren Technologie
• Hauptproblem: Ausheilen der Implantationsdefekte (z.B. Diffusion der Dotanden)
(Eichler et al., 1997)
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Das Positronenstrahlsystem in Halle
22Na-Quelle
Probenkammer
Doppler-Koinzidenz-Messung
Strahlventil
differentielle Pumpe
magnetisches Strahl-führungssystem
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Laterale AuflLaterale Auflöösung sung mittels Positronenmittels Positronen--RasterRaster--MikroskopMikroskop
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• laterale Auflösung ca. 1 µm• Auflösung durch Positronen-
diffusion limitiert (ca. 100nm)
• anderes System an Univ. Bonn
Munich Positron Microscope
W. Triftshäuser et al., NIM B 130 (1997) 265
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Beispiel: MikrohBeispiel: Mikrohäärteeindruck in GaAsrteeindruck in GaAs
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SEMCL
Positrons
(Krause-Rehberg et al., 2002)
• Vergleich von Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Kathodolumineszenz (CL) und dem Münchener Raster-Positronen-Mikroskop; Problem hier: Intensität
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NNäächster Schritt: chster Schritt: intensive Positronenquellen fintensive Positronenquellen füür Nutzergruppenr Nutzergruppen
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• bei Verwendung von Isotopenquellen: Zeit / Spektrum 104 ... 105 s
• intensive Positronenquellen notwendig, die für Nutzergruppen frei zugänglich sind
• Positronenerzeugung bspw. durch Paarbildung an hochenergetischen Elektronen-LINAC‘s (E > 10 MeV)
• weltweit drei Projekte:- LLNL (Livermore, USA): LINAC-System mit e+-Mikrostrahl, aber kein
freier Zugang für Nutzergruppen- FRM-II Garching: u.a. Ankopplung des Positronen-Raster-Mikroskops- EPOS im FZR (Rossendorf): hochintensive Strahlungsquelle ELBE wird
genutzt; einmalige primäre Elektronen-Zeitstruktur dieses LINACs zur direkten Positronen-Erzeugung
• EPOS = ELBE POsitron Source; ist als externer Messplatz des IWZ der Uni Halle geplant; freier Zugang für Nutzergruppen
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EPOS = ELBE Positron SourceEPOS = ELBE Positron Source
• EPOS kombiniert erstmalig alle Techniken der Positronenannihilation• besonders hohe Datenrate durch Multidetektorsystem (z.B. 16 Detektoren
für Lebensdauer-Spektroskopie)• wichtigste Daten:
- Zählrate > 106 s-1 (konventionell ca. 103 s-1); wichtig für kinetische Untersuchungen
- erstmalig auch Lebensdauern bis > 100 ns messbar (Nanovoids in „low-k materials“)
- gute laterale Auflösung (25…50 µm), aber keine Mikroskopie geplant- Extrem gute Zeitauflösung und Peak/UG-Verhältnis durch koinzidente
Messung von Lebensdauer- und Doppler-Spektren- völlig neuartiges Detektorsystem mit digitaler Messung - dadurch: kein Abgleich von elektronischen Komponenten vor Ort mehr
erforderlich- volle Systemkontrolle über Internet
Martin-Luther-Universität HalleMartin-Luther-Universität Halle
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Grundriss der ELBEGrundriss der ELBE--HalleHalle
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Grundriss des Grundriss des PositronenlaborsPositronenlabors
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X-ray lab positron lab
converter/ beam dump
• Planung für die zwei neuen Labors ist abgeschlossen
• Bauausführung für 2003 geplant
• Vertrag zwischen Uni Halle und FZR ist fast unterschriftsreif
• Finanzierung ...
primary electron beam
top view
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Martin-Luther-Universität Halle
Januar 2003
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Martin-Luther-Universität Halle
KonverterKonverter--KammerKammer
cave
tunnel
concretewall
pump
converter chamber
extractionelectrodes Pt moderator
foils (+2 kV)
(Zeichnung nicht maßstäblich)
tube on ground potential
• September 2002: Design-Workshop EPOS-02 wurde organisiert
• 22 Teilnehmer aus 11 Ländern
• Unterstützung durch Simulationen und Werk-stattkapazität
• mögliches Design wurde ausführlich diskutiert
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• 2 Buncher sorgen für gute Zeitauflösung
• erwartet: ca. 100 ps (konventionell ca. 200 ps)
• 2 Chopper reduzieren den Untergrund
• x-y-Scan durch beweglichen Probenhalter
• genaue Simulationen der Strahlführung erforderlich
(Zeichnung nicht maßstäblich)
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• Anwendung für die volle Breite der Materialwissenschaften• durch besonders kurze Messzeiten (Spektrum in 100 ms): in-situ
Studium der Defektkinetik (Diffusion, Ausscheidungsprozesse, Defektausheilung, ...)
• Tribology (oberflächennahe Defekte)• Polymerphysik (Poren; Interdiffusion; …)• „low-k materials“ (dünne hoch-poröse Schichten für elektronische
Bauteile)• Defekte in Halbleitern, Keramiken and Metallen (an Oberfläche und im
Volumen)• Epitaxie-Schichten (Wachstums- und Anpassdefekte)• Strahlungshärte (z.B. Weltraummaterialien)• ...
Anwendungsspektrum von EPOSAnwendungsspektrum von EPOS
Martin-Luther-Universität Halle
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Martin-Luther-Universität Halle
ZeitplanZeitplan
Laborräume
Justierung der Beamfokussierung
Messplatz-Automatisierung
Detektorsystem und Software
Test komplettes Transportsystem
Kammer für Isotopenquelle
Probenkammer
zweiter Chopper und Einzellinse
erste Einzellinse und Remoderator
Simulation Strahlenschutz
Fertigstellung Vakuumsystem
Test des Konverters/Transportlinie
Aufbau erster Chopper / Buncher
Konverterkammer und Strahlführung durch Tunnel
Simulation Strahlführung
Simulation Konverterkammer
Optimierung der Zeitauflösung
3. Jahr2. Jahr1. Jahr
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Martin-Luther-Universität Halle
ProblemeProbleme
• Extrem hohes Datenaufkommen durch digitale Messung; könnte Messgeschwindigkeit bei Lebensdauer-Spektroskopie limitieren
• Strahlenschutz-Maßnahmen an Konverterkammer (Simulationen notwendig)
• aber: keine wesentlichen technischen Schwierigkeiten
• Vertrag mit FZR und Finanzierung
• für Umsetzung in 3 Jahren benötigen wir Unterstützung der zukünftigen Nutzer (Softwareentwicklung; Werkstattkapazität)
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Martin-Luther-Universität Halle
ZusammenfassungZusammenfassung
• zur weiteren methodischen Entwicklung: intensive Positronenquellen notwendig
• EPOS ist ambitioniertes Projekt am FZ Rossendorf
• für Nutzergruppen („user-dedicated facility)
• ergänzt ideal das Projekt am FRM-II in Garching
Den Vortrag gibt es hier
http://positron.physik.uni-halle.de