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Ehrenkolloquium für Herrn Prof. J.R. Niklas: Ehrenkolloquium für Herrn Prof. J.R. Niklas: Antimaterie in der modernen Antimaterie in der modernen Antimaterie in der modernen Antimaterie in der modernen Materialforschung Materialforschung R Krause Rehberg R. Krause-Rehberg Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Technik der Positronenannihilation Anwendungen Gepulste, intensive Positronenquelle EPOS an ELBE (FZ Dresden- Rossendorf) Rossendorf) R Martin-Luther-Universität Halle

Ehrenkolloquium für Herrn Prof. J.R. Niklas: Antimaterie in der ...positron.physik.uni-halle.de/talks/Freiberg_Ehrenkolloquium.pdf · Ehrenkolloquium für Herrn Prof. J.R. Niklas:

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Ehrenkolloquium für Herrn Prof. J.R. Niklas:Ehrenkolloquium für Herrn Prof. J.R. Niklas:Antimaterie in der modernenAntimaterie in der modernenAntimaterie in der modernen Antimaterie in der modernen

MaterialforschungMaterialforschung

R Krause RehbergR. Krause-RehbergMartin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

• Technik der Positronenannihilation

• Anwendungen

• Gepulste, intensive Positronenquelle EPOS an ELBE (FZ Dresden-Rossendorf)Rossendorf)

RKR

Martin-Luther-Universität Halle

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The positron lifetime spectroscopyThe positron lifetime spectroscopy22Na

• positron wave-function can be localized in the tt ti t ti l f

Na

attractive potential of a defect

• annihilation parameters γ pchange in the localized state

• e.g. positron lifetime

γ

increases in a vacancy

• lifetime is measured as time diff b t

γ 511 keV

γ 1.27 MeV

difference between appearance of 1.27 (start) and 0.51 MeV (stop) quanta

γ

• defect identification and quantification possible about 1 eV

Martin-Luther-Universität Halle

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Digital lifetime measurementDigital lifetime measurement

• simple setup• nothing to adjustnothing to adjust• timing very accurate (accuracy 10-6)• pulse-shape discrimination (suppress “bad pulses”)

h d f & (d bl i i )• each detector for start & stop (double statistics)

Martin-Luther-Universität Halle

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Screenshot of two digitized Anode Pulses Screenshot of two digitized Anode Pulses

time difference = 2.65471 samples = 663.67 ps

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Positron lifetime spectroscopyPositron lifetime spectroscopy

106

As–grown Cz SiPlastically deformed Si

• positron lifetime spectra consist of exponential decay components

105

320

Plastically deformed Si• positron trapping in open-volume defects

leads to long-lived components

• longer lifetime due to lower electron

104

τ2 = 320 ps

Cou

nts

longer lifetime due to lower electron density

• analysis by non-linear fitting: lifetimes τiand intensities Ii

(divacancies)

103τb = 218 ps

τ3 = 520 ps

C and intensities Ii

positron lifetime spectrum:

(vacancy clusters)(bulk)

0 1 2 3 4 5

trapping coefficient

0 1 2 3 4 5

Time [ns]

Martin-Luther-Universität Halle

trapping rate defect concentration

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Detection Range of different DefectsDetection Range of different Defectsgg

Defect Type Sensitivity range detection limit ... saturated trapping

neutral vacancies 5×1015... 1019 cm-3

dislocations 108 ... 5×1011 cm-2

precipitates (r=2 nm) 1014 ... 1017 cm-3 precipitates (r 2 nm) 10 ... 10 cm

grain boundaries 5 µm ... 200 nm (particle size)

microvoids (>50 atoms) 1014 5×1017 cm-3 microvoids (>50 atoms) 10 ... 5×10 cm

Martin-Luther-Universität Halle

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Theoretical Calculation of Vacancy Clusters in SiTheoretical Calculation of Vacancy Clusters in Si

• there are cluster configurations with a large energy gain

• Magic Numbers“ with 6 10 und „Magic Numbers with 6, 10 und 14 vacancies

• positron lifetime increases distinctly with cluster sizedistinctly with cluster size

• for n > 10 saturation effect, i.e. size cannot be determined

T.E.M. Staab et al., Physica B 273-274 (1999) 501-504

Martin-Luther-Universität Halle

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Defects in electronDefects in electron--irradiated Geirradiated Ge

• Electron irradiation (2 MeV @ 4K) induces Frenkel pairs (vacancy - interstitial pairs)• steep annealing stage at 200 K• at high irradiation dose: divacancies are formed (thermally stable up to 400 K)

G

at high irradiation dose: divacancies are formed (thermally stable up to 400 K)

Ge

e- irr. at 4K

Martin-Luther-Universität Halle

(Polity et al., 1997)

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GaAs: annealing under defined AsGaAs: annealing under defined As--partial pressurepartial pressure

• two-zone-furnace: Control of sample temperature and As partial pressure allows to navigate freely in phase diagram (existence area of compound)

• Measurements near equilibrium after quenching of samples

T l : 1100° C T d t i A H W l t l J C t G th 109 191 (1991)Tsample: 1100 C TAs: determines As-partial pressure

Martin-Luther-Universität Halle

H. Wenzl et al., J. Cryst. Growth 109, 191 (1991).

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GaAs: Annealing under defined As pressureGaAs: Annealing under defined As pressure

GaAs:Si

1018

[T ] i -3

GaAs:Te

)

SiGa-VGa TeAs-VGa

atio

n (c

m-3)

1017

[Te] in cm-3

6x1018 250

245

K (p

s)

tratio

n (c

m-3)

1017

cy c

once

ntra 10

17

2x1018

235

240

τ av a

t 55

0 K

ncy

conc

ent

0 01 0 1 1 10

Linear fit

Vac

anc

1016

9x1016

4x1017

231

τ

Vaca

n

0,01 0,1 1 10Arsenic pressure (bar) 0,1 1 10Arsenic pressure (bar)

Thermodynamic reaction:1/4 As4

gas ↔ AsAs + VGa

J. Gebauer et al.,Physica B 273-274, 705 (1999)

Fit: [VGa-Dopant] ~ pAsn

→ n = 1/4

1/4 As4 ↔ AsAs VGa

Mass action law:[VG ] = KVG × pA

1/4

y ( )

→ n 1/4[VGa] KVG × pAs

Martin-Luther-Universität Halle

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Comparison of doped and Comparison of doped and undopedundoped GaAsGaAs

Thermodynamic reaction:yAsAs ↔ VAs + 1/4As4

gas

Mass action law:[VAs] = KVAs × pAs

-1/4

Fit: [V-complex] ~ pAsnFit: [V complex] pAs

→ n = -1/4

undoped GaAs: As vacancy

Martin-Luther-Universität Halle

Bondarenko et al., 2003

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TypicalTypical LifetimesLifetimes

Sources of PositronSources of Positron25 %75 %

Positron PositroniumMartin-Luther-Universität Halle

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Polymers under PressurePolymers under Pressure

• The open volume Vh between polymer molecular chains can be determined from the ortho-positronium lifetime τ3

• Also its size dispersion σn and the hole fraction h

LLDPE l d i l h l HDPE hi h d i l h l PFE fl l

2,5

(ns) LLDPE: <τ3> σ3

HDPE400

0 10PFE

LLDPE: low-density polyethylene HDPE: high-density polyethylene PFE: perflourelastomer

1,5

2,0

<τ 3>

( HDPE: <τ3> σ3τ3

200

250

300

350

0,06

0,08

0,10

ole

fract

ion

hPFE

v

h (Å

3 )

h

0,5

1,0

(ns)

σ3

50

100

150

200

0,02

0,04

ho

σ

<vh>

σh (

Å3 )

0 100 200 300 400 5000,0

σ 3

Pressure P (MPa)

0 100 200 3000 0,00

σh

P (MPa)

Martin-Luther-Universität Halle

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PorosimetryPorosimetry by Positroniumby Positronium

• Controlled pore glass: pore diameter 1…100 nm• Best sensitivity of positrons: 1…10 nm• Pore size distribution can be determined

Martin-Luther-Universität Halle

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The EPOS positron source at The EPOS positron source at Research Center DresdenResearch Center Dresden--RossendorfRossendorf

• Radiation source ELBE = Electron Linac with high Brilliance and low Emittance

• Primary electron beam (40 MeV x 1 mA = 40 kW)

• Main goal: Infrared Free-electron Lasers

• Very interesting time structure: cw-mode of short bunches with 13 MHz

electron bunches

Martin-Luther-Universität Halle

u

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EPOS = ELBE Positron SourceEPOS = ELBE Positron SourceEPOS = ELBE Positron SourceEPOS = ELBE Positron Source

• Intense pulsed beam of slow (monoenergetic) positronsIntense, pulsed beam of slow (monoenergetic) positrons

• All relevant positron techniques for materials research (positron lifetime, Coincidence Doppler broadening, AMOC)

• EPOS is external facility of Martin-Luther-University Halle in collaboration with Research Center Dresden-Rossendorf (FZD)

• User-dedicated facility

• Remote controlled via internet

• Financing by University Halle, Land Sachsen-Anhalt, European Community, and FZD

Martin-Luther-Universität Halle

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ELBE LayoutELBE Layout

Martin-Luther-Universität Halle

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Positron LabPositron Lab

• positron lab in ELBE hall

X-ray LabX ray Lab

Positron LabPositron Lab

concrete screening of Cave 111b g(location of e+ converter)

Martin-Luther-Universität Halle

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EPOS scheme EPOS scheme

Martin-Luther-Universität Halle

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• 3 experiments: lifetime spectroscopy (8 BaF2 detectors); Doppler coincidence (2 Ge

Detector systemDetector system3 experiments lifetime spectroscopy (8 BaF2 detectors); Doppler coincidence (2 Ge detectors), and AMOC (1 Ge and 1 BaF2 detector)

• digital detection system:lif ti l t thi t dj t ti l tl th f ll d t t - lifetime: almost nothing to adjust; time scale exactly the same for all detectors; easy realization of coincidence

- Doppler: better energy resolution and pile-up rejection expected

- pulse-shape discrimination improves spectra quality

Martin-Luther-Universität HalleMartin-Luther-Universität Halle

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First Projects of EPOSFirst Projects of EPOS

• Irradiation-hard Steel of Fission Reactors (FZD)

• Defects in ZnO (FZD & Uni Leipzig; IKZ Berlin)• Defects in ZnO (FZD & Uni Leipzig; IKZ Berlin)

• Low-k dielectrics for microelectronics (AMD Saxony)

• Smart cut of wide band-gap semiconductors – GaN ZnO AlN (MPI Halle)• Smart cut of wide band gap semiconductors GaN, ZnO, AlN (MPI Halle)

• Rp/2 effect in Si (FZD)

• Abnormal diffusion of Zn and Cu in III-V-compund semicondutors (Uni Halle)Abnormal d ffus on of Zn and Cu n III V compund sem condutors (Un Halle)

• Pore size distribution on micro- and mesopores (Uni Halle)

• Defects in “dirty” Si for photovoltaic (Fraunhofer Inst. Halle)y p ( )

• Thin polymer layers on top of metallic substrate (Uni Kiel)

• Hydrogen in defects in metals (Uni Prague, FZD)

• Defects after tribological treatment of surfaces (Academy Inst. Krakow)

• …

Martin-Luther-Universität Halle

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View flange Beam dump

Be entrance window

to vacuum systemy

Pb standPb stand

Water cooling pipes

Beam extraction to Laboratory

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Beam line through cable channel under 3.2 m concrete

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Electron beam dump is put onto the stand

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Adjustment of Be windows: deviation 0.17mm (y-direction) and 0.10 mm (x-direction)

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Pb screening almost complete

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Heavy concrete radiation screening started