Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор экспериментальных и теоретических работ по исследованию аннигиляции позитронов в щелочногалотидных кристаллах и полупроводниках 10
1.1. Аннигиляция позитронов и позитрония в веществе и её характеристики ...... ....10
1.2. Аннигиляционные характеристики позитронов в щелочногалоидных кристаллах и полупроводниках с низкой концентрацией дефектов ................ 14
1.2.1. Щелочногалоидные кристаллы с низкой концентрацией дефектов ............ .. 15
1.2.2. Полупроводниковые кристаллы с низкой концентрацией дефектов - » . 27
1.3. Модели позитронных состояний в идеальных щелочнога
лоидных и полупроводниковых кристаллах 35
І.ЗЛ. Позитронные состояния в щелочногалоидных кристаллах . 36 1.3.2. Позитронные состояния в полупроводниках ....... 49
1.4. Аннигиляция позитронов в кристаллах с высокой кон
центрацией дефектов. Аннигиляционные центры. * . . 57
Глава 2. Описание экспериментальной аппаратуры, методики эксперимента и обработки экспериментальных данных . . 85
2.1. Установка для измерения углового распределения аннигиляционных 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
2.1.6. Детекторы ..... 90
2.1.7. Электронно-регистрирующее 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 УРА ........ 108
2.4.2. Обработка спектров времени жизни НО
2.5. Приготовление образцов и источников позитронов . III
Глава 3. Делокализованные и локализованные позитрониевые состояния в ЩГК . . 114
3.1. Обнаружение и исследование "высокотемпературных делокализованннх позитрониевых состояний в кристаллах повышенной чистоты 115
3.1.1. Обнаружение "высокотемпературного" делокализованного Ps в А/аСЕ повышенной чистоты 115
3.1.2. Исследование позитрониевых состояний в кристаллах 126
3.2. Аннигиляция позитронов в щелочногалоидных кристал-
. . лах 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 НBz , активированных ионами лития . 154
Глава 4. Исследование аннигиляции позитронов в полупроводниках ...... 162
4.1. Поиск и исследование позитрониевых состояний в полупроводниках 162
4.1.1. Поиск позитрониевых состояний в кристаллах Si , Se . GaJs И CdTe 162
4.1.2. Исследование аннигиляции позитронов в облученных полупроводниковых кристаллах Si Ai - и ҐІ - типа 166
4.1.3. Обнаружение позитрониевых.состояний.в кластерных кристаллах Se 174
4.2. Наблюдение изменений электронной структуры в кристаллах кремния при возбуждении в них акустических колебаний большой амплитуды 187
4.3. Исследование влияния малых доз позитронного облучения на дефектность эпитаксиальных структур подвергнутых двойному легированию ( Si , Sn ) . . 192
Заключение 197
Справка об использовании материалов диссертационной работы
Литература 201
- Аннигиляция позитронов и позитрония в веществе и её характеристики
- Установка для измерения углового распределения аннигиляционных фотонов
- Обнаружение и исследование "высокотемпературных делокализованннх позитрониевых состояний в кристаллах повышенной чистоты
- Поиск и исследование позитрониевых состояний в полупроводниках
Введение к работе
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 нозитронных 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-испаль зуемые в практике., свойства ЩШ~ и полу проводников,... 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 — О) * помощью позитроного метода, ограничивает ценность получаемой информации и не позволяет правильно оценить круг задач, которые могут решаться с помощью данного метода,
Таким 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 (rv^ 500 К) делокализованные позитрониевые состояния в ЩГК (на примере NaCt высокой чистоты,(содержание основной примеси Сй&2. 10 моль.долей), исследованы их основные харак--теристики и показано, что определяющим; условием для их существования является совершенство кристаллической решетки.
2 ) получены прямые экспериментальные свидетельства того, что в совершенных ЩГК (концентрация вакансионных дефектов 1Сг^ см ), кроме делокализованных, существуют локализованные позитрониевые состояния. в результате проведенных исследований легированных акцепторными примесями ЩГК получены доказательства возможности шпурового механизма образования позитрониевых состояний в них. впервые экспериментально установлено существование локализованных позитрониевых состояний в кластерных кристаллах полупроводников (на примере селена, диспергированного в цеолит
МаА )#
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: ~10 см нарушений кристаллической решетки (по исследованию условий существования делокализованных позитрониевых ( / ) состояний в ЩГК),* 10 -10ій см акцепторных дефектов (по исследованию условий существования локализованных р& состояний в ЩГК); ^ № -1Сг 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 ее характером путем возбуждения в них ультразвуковых колебаний большой амплитуды. Кроме того, метод позволяет проводить оценки межмолекулярных расстояний в кластерных полупроводниковых кристаллах (по характеристикам локализованного % ), а радиоизотопные источники позитронов могут использоваться для уменьшения дефектности полупроводниковых структур.
Результаты работы позволяют сформулировать следующие положения, выносимые на защиту:
1. В ЩП существуют позитрониевые состояния двух видов: де- локализованные и локализованные в матрице кристалла. При этом делокализованные Р$ состояния оказываются чувствительными к степени совершенства кристаллической решетки и проявляются только в кристаллах с концентрацией вакансионных дефектов < Ю15 см"3.
Возможныммеханизмом образования позитрониевых состояний в матрице ЩІК является шпуровый механизм.
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", їула, 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 ЯФ при ТЛИ, ПНИЛ ЭДиП ТПИ(г. Томск) кафедры ФТТ-МПІИ им. Ленина0?; Москва), ИХ АН СССР (г. Москва), на семинаре отделов ядерной физики, теоретической физики и рентгеновской спектроскопии -НИИ физики при.РГУ (г. Ростов-на-Дону).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введе- 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.
Аннигиляция позитронов и позитрония в веществе и её характеристики
Источниками позитронов в экспериментах по позитронной аннигиляции в веществе обычно являются стабильные радиоактивные изотопы, .например, Na СІ +ІЇ) CuLfijtf) подходящей активности Г 1,2 J. Энергетическое распределение позитронов в таких случаях имеет вид непрерывного спектра /5 - распада с максимальной энергией тад (5 Ю кэВ для Az ) и средней энергией Jrgy ( 340 кэВ для /\/д ). Позитроны, имплантированные в образец, -ТЗ -Т? за время 10 - 10 с теряют свою энергию до тепловой (термализуются) в результате возбуждения 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 У -квантов и вид спектра излучения зависят-от ориентации спинов сталкивающихся частиц I 1,2 ] .
Наиболее вероятным является процесс аннигиляции с испусканием двух 0 -квантов. При увеличении числа испускаемых -квантов на единицу сечение процесса аннигиляции умножается на величину порядка постоянной тонкой структуры сі я І/І37, т.е. вероятность процесса аннигиляции уменьшается более чем на два порядка. Возможна однофотонная аннигиляция электрон-позитрон-ной пары, однако её вероятность пренебрежима мала, поскольку для ее 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. I.I.) [7] .
Дираком [7] было показано, что вероятность 2 V-квантовой аннигиляции в единицу времени (скорость аннигиляции Л ) в нерелятивистском приближении пропорциональна электронной плотности в точке нахождения позитрона о
Установка для измерения углового распределения аннигиляционных фотонов
Автором этой, работы была проведена существенная; модернизация; созданной ранее в Томской, группе установки I22j для измерения; УРАФ, а именно:
1. Произведена замена электронной, системы регистрации, анни-гиляционных -квантов устройством "КЕДР" [l23j.
2. Осуществлена автоматизация процесса измерения кривых углового распределения аннигиляционных фотонов.
3. Для расширения возможностей по изучению особенностей аннигиляции позитронов из позитрониевых состояний спроектирована, изготовлена и смонтирована вакуумная аннигиляционная: камера,позволяющая проводить измерения в статическом магнитном поле.
Установка имеет следующие рабочие параметры:
1. Активность радионуклида NQ -(J + tf ) 5 - 10 мКюри.
2. Расстояние от образца до детектора -квантов 1300 мм.
3. Ширина щели коллиматоров 0,5 - I мм. k. Высота коллиматоров 60 мм.
5. Соосность и параллельность коллиматоров не хуже ОД мрад.
6. Величина напряженности статического магнитного поля (О - 18) кГс.
7. Точность отработки угла перемещения подвижного плеча не хуже 0,005 мрад.
8. Минимальный возможный шаг 0,125 мрад, более крупный шаг
П х 0,125 мрад, где fl -целое число, шаг может изменяться в процессе измерения кривой УРАФ.
Установка снабжена радиационной, защитой и позволяет проводить круглосуточные измерения: кривых УРАФ в автоматическом режиме.
Обнаружение и исследование "высокотемпературных делокализованннх позитрониевых состояний в кристаллах повышенной чистоты
Предположение о позитрониевой природе сверхузких пиков в УРАФ для ЩІК, высказанное в [35-37] , не является необоснованным. Ранее аналогичные сверхузкие пики наблюдались в ионных кристаллах кварца іл CaF2 [132] . Эксперимент по усилению интенсивности центрального и боковых пиков в статическом магнитном поле для кварца [l33j явился прямым доказательством существования дел окали зованного Р$ в кварце.
Сверхузкие пики в УРАФ, согласно [l34] , наблюдаются в искусственном кварце вплоть до температуры 700 С и имеют большую интенсивность. В ЩІК аналогичные пики отчетливо наблюдаются, в основном, при низкой температуре с небольшой интенсивностью 4 % 04 К для КСЄ ,-87 К для Nat t #&г , 300 К для Л/ 2/ ) и становятся неразличимыми в УРАФ уже при комнатной температуре. Это связано по-видимому, с одной стороны, с характеристиками данного материала, определяющими вероятность образования Ps в нем (например, шириной "щели Оре", см. формулу ІДО). С другой стороны, замечено, что в кристаллах природного кварца "тонкая структура" УРАФ, соответствующая делокали-зованному /$ проявляется значительно слабее [132] . По мнению авторов [132],это является следствием более высокой дефектности образцов природного кварца. Это подтвердилось данными [135] , где установлено, что введение примесей или увеличение скорости роста кристаллов кварца всегда приводит к снижению интенсивности пиков делокализованного позитрония. Поэтому для наблюдения сверхузких пиков в УРАФ, очевидно, необходимы кристаллы с максимально возможной совершенной кристаллической решеткой» При этом можно ожидать, что в этом случае сверхузкие пики в УРАФ будут проявляться и при более высокой температуре, чем это наблюдалось в [35-37] С другой стороны, эксперименты с такими кристаллами могут быть полезными и в плане проверки реальности существующих моделей позитрониевых состояний в ЩГК объясняющих свойства "релаксированного" (следуя 27 ) позитрония. Таким образом, в настоящей работе решалась задача дальнейшего изучения Ps состояний в ЩГК (на примере кристаллов N&C? )
Основными объектами исследования служили кристаллы Ш№повышенной чистоты (пвч). Кристаллы были выращены в вакууме методом Стокбаргера из предварительно очищенного сырья. Содержание основной примеси кальция в указанных кристаллах было менее 2»I0 моль долей [І28І .
Измерения основной аннигиляционной характеристики - УРАФ про-водились как без, так и при наложении статического магнитного поля на образец, напряженностью 10 кГс и 6,3 кГс. Полученные данные для NaСЕ (пвч) сопоставлялись с результатами измерения аннигиляционных характеристик позитронов для А/аСв (осч), которые сравнивались с литературными данными.
Поиск и исследование позитрониевых состояний в полупроводниках
Как показано в первой главе, оценки энергетики образования is в полупроводниках по модели "щели Оре" позволяют предполагать, что такой процесс в полупроводниковых кристаллах возможен. В сильно легированных полупроводниках, однако, имеется; ряд обстоятельств, препятствующих экспериментальному наблюдению /g. Как показано в работе [85], высокая скорость орто-пара конверсии % на свободных носителях в полупроводниках может быть причиной того, что із в них существует, в основном, в парасостоянии. Возможно, это и обуславливает существование в спектрах времени жизни позитронов, как правило, только одной компоненты времени жизни (см. главу I), поскольку время: жизни пара-/J, по-видимому, близко к экспериментальной величине Tf [ 85J . Кроме того,наличие большой концентрации свободных носителей будет приводить к экранированию куло-новского взаимодействия между электроном и позитроном [l63j . Критическая концентрация: носителей, выше которой связанных состояний электрон-позитронной пары не существует, т.е. он будет динамически нестабилен, выражается І ІвЗІ: ПКР- (&F7 (4.1) где /П - приведенная эффективная масса позитрония, Со -диэлектрическая проницаемость, Є - заряд электрона. Оценки критической концентрации носителей (/7/г/э) в германии 1163 J, дали величинуПк-р 5,5 х ICr см , в кремнииПкрг»10г ем . Т.о., образование позитрониевых состояний наиболее вероятно в полупроводниках, в которях плотность электронов проводимости меньше/?/ . Экспериментальные данные некоторых работ, как будто, подтверждают такое предположение. Так в работе [l64] была обнаружена долгоживущая компонента = 1,2 не, интенсивностью Jg - 10$ в спектре времени жизни позитронов для кристаллического селена, причем аморфизация и деформация образца уменьшали интенсивность этой, компоненты. В работе И2], для объяснениям существования долгоживущей компоненты ( Tz - 1,2 не Тг - 2.,6%) в образцах Si П - и р -типа предполагалось "образование связанного состояния между позитронами и электронами, возбуждаемыми в зоне проводимости са -164 мими: позитронами"
При исследовании УРАФ в полупроводниках также были получены данные, интерпретированные с позиции существования! в них позитрониевых состояний. Так в работах [165, 166] наблюдали появление узкой компоненты и боковых пиков в кривых УРА для Si и о а Ав при 4,2 К, которые связывались с существованием делокализованных позитрониевых состояний в образцах. Упоминавшиеся в главе I данные [57] по УРА$ для кремния, ор - П -переходом, также объяснялись авторами существованием fg состояний в области р - П -перехода. Однако, во всех указанных работах прямых экспериментов по обнаружению позитрониевнх состояний, и подтверждению, таким образом, высказанных предположений не проводилось. Таким образом, является очевидной необходимость проведение экспериментальных исследований, направленных на обнаружение гк состояний в полупроводниковых кристаллах. Для этого необходимы прямые методы, позволяющие обнаруживать is состояния, например,измерение УРАФ в статическом магнитном поле и сравнение их с данными, полученными без поля.
