1、慢正电子谱学中国科学技术大学慢正电子谱学中国科学技术大学一、正电子概况我国第一个慢正电子束装置（3）可以大大消除的二次电子本底。因此正电子对最初的3-4层原子层特别灵敏。在液态Ar和Kr中在3ns处有一极大值。The long laboratory电荷：与电子电荷数量相等1932 Found in cosmic Radiations by Anderson5 ns)的特征峰来自于正电子或 Ps 在介孔和块体上的湮灭;(19021998)pair production(g-e+e-)Classical picture所以三种湮灭之间的关系为：正电子发现n Predicted by Dirac P
2、redicted by Dirac Predicted by Dirac Predicted by DiracFound by Found by Z.Y.Z.Y.ZhaoZhao正电子发现中国科学技术大学中国科学技术大学近代物理系的创建近代物理系的创建者和首任系主任者和首任系主任 1930年春天，赵忠尧先生年春天，赵忠尧先生在在CIT实验时发现，实验时发现，射线被铅散射线被铅散射时，除康普顿散射外，伴随着反射时，除康普顿散射外，伴随着反常吸收还有一种特殊的光辐射出现常吸收还有一种特殊的光辐射出现。当时测定的这种特殊辐射的强度。当时测定的这种特殊辐射的强度是大致各向同性的，并且每个光子是大致各向
3、同性的，并且每个光子的能量与一个电子质量的相当能量的能量与一个电子质量的相当能量很接近。它揭示了一种新的反应机很接近。它揭示了一种新的反应机制。赵忠尧将这个实验结果写成第制。赵忠尧将这个实验结果写成第二篇论文，题目为硬二篇论文，题目为硬射线的散射线的散射，并于射，并于1930年年10月在美国月在美国物理评论杂志上发表。物理评论杂志上发表。Predicted by Dirac Predicted by DiracFound by Found by Z.Y.Z.Y.ZhaoZhaoFound in cosmic Radiations byFound in cosmic Radiations by
4、AnderAndersonson 正电子发现PositronCloud Chamber PhotographLarger curvatureof particleabove platemeans its moving slower(lost energy as itpassed through)Lead plateCarl Anderson1905-1991 Predicted by Dirac Predicted by DiracFound by Found by Z.Y.Z.Y.ZhaoZhao19321932 Found in cosmic Radiations byFound in c
5、osmic Radiations by AnderAndersonson 19401940s First studies of Electronic structuress First studies of Electronic structures19501950s Establishment of Positron s Establishment of Positron Annihilation Spectroscopy Annihilation Spectroscopy First LINAC based Positron First LINAC based Positron Gener
6、ation Generation1982 Slow positron beams1982 Slow positron beams正电子的性质l质量：等于电子质量质量：等于电子质量l电荷：与电子电荷数量相等电荷：与电子电荷数量相等l磁矩：与电子磁矩相等，磁矩：与电子磁矩相等，ge/2m0cl寿命：在真空无电子环境，寿命：在真空无电子环境，2 1021年年正电子属轻子族，正电子属轻子族，所以它是费米子，遵守所以它是费米子，遵守Fermi-Dirac统计；统计；不直接参与强相互作用。不直接参与强相互作用。正电子产生正电子产生lb b+-decayl pair production(g g-e+e-)
7、(22Na-22Ne+e+u ue+g g(1.28 MeV)PositroniumnQuantum pictureThe theoretical calculation o-Ps lifetime by completion of the full second order in a QED corrections(230ppm)is l=7.039979(11)ms-1(1.6ppm)二、正电子湮灭探测技术n正电子寿命测量技术正电子寿命测量技术n多普勒展宽测量技术多普勒展宽测量技术n二维角关联技术二维角关联技术n寿命寿命-动量关联测量技术动量关联测量技术n3g g测量技术测量技术n寿命寿命
8、-幅度关联测量技术幅度关联测量技术n慢慢 束束n正电子衍射技术正电子衍射技术nPAESn微微 束束正电子技术的优越性 各种电镜、卢瑟福背散射、中子衍射、深能各种电镜、卢瑟福背散射、中子衍射、深能级瞬发谱、二次离子谱等，虽然各自给出了许多级瞬发谱、二次离子谱等，虽然各自给出了许多有价值的结果，但这些方法基本上不能给出原子有价值的结果，但这些方法基本上不能给出原子尺度局域缺陷及微观物相变化的信息，并且多为尺度局域缺陷及微观物相变化的信息，并且多为破坏性测量或造成较大的辐照损伤。破坏性测量或造成较大的辐照损伤。正电子技术是一种无损和高灵敏的探测技正电子技术是一种无损和高灵敏的探测技术，对复杂材料的分
9、析具有明显的优越性。正电术，对复杂材料的分析具有明显的优越性。正电子探针已在基础研究中发挥了巨大的作用，广泛子探针已在基础研究中发挥了巨大的作用，广泛地应用于研究凝聚态材料、介孔材料、半导体和地应用于研究凝聚态材料、介孔材料、半导体和超导体、纳米材料、高聚物化学、量子信息等学超导体、纳米材料、高聚物化学、量子信息等学科，同时也在工业方面有着巨大的应用潜力，受科，同时也在工业方面有着巨大的应用潜力，受到各国科学接和工业界的重视。到各国科学接和工业界的重视。正电子技术的优越性l 对缺陷及原子尺度的微结构变化极为灵敏；对缺陷及原子尺度的微结构变化极为灵敏；l 无损探测；无损探测；l 可探测真实表面（
10、几个原子层）的物理化学可探测真实表面（几个原子层）的物理化学信息；信息；l 探测物体内部局域电子密度及动量分布；探测物体内部局域电子密度及动量分布；l 正电子是电子的反粒子，容易与电子分辨正电子是电子的反粒子，容易与电子分辨,又又可形成电子偶素可形成电子偶素；l 慢正电子技术具有能量可调性，因而可获得慢正电子技术具有能量可调性，因而可获得缺陷或结构不均匀性沿样品深度的分布。缺陷或结构不均匀性沿样品深度的分布。OM:Optical MicroscopyOM:Optical Microscopy nS:neutron Scattering nS:neutron ScatteringTEM:Tran
11、smission Electron Microscopy XRS:X-Ray Scattering TEM:Transmission Electron Microscopy XRS:X-Ray Scattering STM:Scanning Tunneling Microscopy AFM:Atomic Force MicroscopySTM:Scanning Tunneling Microscopy AFM:Atomic Force Microscopy正电子技术与其它技术主要湮灭途径：单光子，双光子和三光子主要湮灭途径：单光子，双光子和三光子正电子湮灭单光子湮灭只有存在着吸收反冲单光子湮灭
12、只有存在着吸收反冲动量的第三个粒子时才有可能。动量的第三个粒子时才有可能。在费曼图中，每增加一个顶点，湮灭截面就要在费曼图中，每增加一个顶点，湮灭截面就要乘以一个因子乘以一个因子a a，a a是精细结构常数是精细结构常数13712ceha对单光子湮灭，还要乘以减弱因子，因为湮灭对单光子湮灭，还要乘以减弱因子，因为湮灭只有存在着吸收反冲动量的原子附近发生，这只有存在着吸收反冲动量的原子附近发生，这个因子正比于个因子正比于a a3。所以三种湮灭之间的关系为：所以三种湮灭之间的关系为：,8426212323101371 aaaaaagggg正电子湮灭基本测量技术l寿命测量Positron lifet
13、imes for some semiconductors.The solid and open circles give the GGA and LDA results as a function of the experimental ones,respectively.实测的正电子寿命谱实测的正电子寿命谱铝的热平衡缺陷铝的热平衡缺陷聚乙烯的热弛豫过程聚乙烯的热弛豫过程Positron interactions with condensed matter nA typical PALS spectrum with three film Ps lifetimes fitted using PO
14、SFIT.T-E公式公式Tao 1972,Eldrup et al.1981 Chem.Phys.63,51 ,selfoffpick111如果半径如果半径2.3 nm where in air=100 ns but in vacuum 142 ns The dependency of o-Ps lifetime versus the pore radius according to the Tao-Eldrup equation.Comparison on PALS technique with other methods Open Porosity lPs 在室温下的速率为在室温下的速率为
15、 8 106 cm/s,在寿在寿命期内在直径为命期内在直径为5-10nm的介孔内可以有的介孔内可以有1-2 106次碰撞次碰撞.lPs 可以容易地扩散回可以容易地扩散回到真空表面到真空表面,大部分的大部分的Ps湮灭发生在表面真湮灭发生在表面真空空(142 ns).l 典型的开介孔寿命谱典型的开介孔寿命谱.l 一个较短寿命一个较短寿命(0.5 ns)的特征峰来自于正电子的特征峰来自于正电子或或 Ps 在介孔和块体上在介孔和块体上的湮灭的湮灭;l 另一个长寿命分量占另一个长寿命分量占(35-40%).a porous silica film l 长寿命分量的拟合值是长寿命分量的拟合值是140 ns
16、,即在真空中湮即在真空中湮灭灭.表明介孔内部是高表明介孔内部是高度连通度连通,Ps 可以容易扩可以容易扩散到真空表面散到真空表面.l A Cu-capped porous silica film:35ns and 3.5 ns;l Oxide-capped silica film:94 ns;l This reduction of the Ps lifetime is almost certainly due to Cu coating on the inner pore surfaces where Ps annihilation would be enhanced by the high
17、density of free electrons in Cu.l多普勒展宽提高峰底比提高峰底比105元素的元素的“指纹鉴别指纹鉴别”l二维角关联Q Qx,yx,y=p=px,yx,y/m/mo oc c Resolution:0.25mrad(0.051.2keV)Resolution:0.25mrad(0.051.2keV)n e+-e-湮没产生的湮没产生的2的夹角与的夹角与180有一微有一微小的偏离。实验同时测量小的偏离。实验同时测量e+-e-湮没产生的湮没产生的2关联信号，可以获得电子动量分布信息，并且关联信号，可以获得电子动量分布信息，并且可进一步得到费米面形貌，研究能带结构等。可进
18、一步得到费米面形貌，研究能带结构等。n同同CDB相似相似,二维角关联（二维角关联（2D-ACAR）可以）可以由由e+-e-凐灭的动量分布来获得电子结构的信凐灭的动量分布来获得电子结构的信息，特别对单晶材料。息，特别对单晶材料。The long laboratorynA 2D-ACAR setup coupled to the intense(8*107e+/s)monochromatic slow e+beam POSH(POSitrons from the HOR reactor)is used for depth-selective research.l寿命-动量关联AMOC技术按测量寿命
19、的起始触发信号分技术按测量寿命的起始触发信号分，主要有两种：，主要有两种：采用触发采用触发（1.28MeV）作起始信号作起始信号，即所谓的，即所谓的AMOC-E技术；技术；采用正电子作起始信号，即采用正电子作起始信号，即AMOC-+E技术。技术。AMOC应用应用 O-Ps在凝聚态物质中的湮没主要有以下几在凝聚态物质中的湮没主要有以下几种形式种形式：pick-off 湮没湮没 正正-仲转换仲转换 磁猝灭磁猝灭 化学猝灭化学猝灭正电子凝聚态物质中的湮没正电子凝聚态物质中的湮没“picked off”annihilation p-Ps和和o-Ps热化湮灭的各种特性。热化湮灭的各种特性。l 3g g
20、measurementPositron interactions with condensed matterPositron interactions with condensed matter分析表明，液态Ar和Kr中有Ps气泡从一个附加的delocalized亚稳o-Ps态中形成Positron interactions with condensed matter它揭示了一种新的反应机制。SiC 单晶在不同条件退火后缺陷的变化28MeV）作起始信号，即所谓的AMOC-E技术；0510-4 eV,which agrees favorably with the accepted value o
21、f-6.电荷：与电子电荷数量相等电荷：与电子电荷数量相等Open PorosityThe solid and open circles give the GGA and LDA results as a function of the experimental ones,respectively.Open Porosity5 ns)的特征峰来自于正电子或 Ps 在介孔和块体上的湮灭;Positron interactions with condensed matter长寿命分量的拟合值是140 ns,即在真空中湮灭.（2）在非常低的能量损失下（大约比电子俄歇谱EAES的能量损失低5个量级）得到
22、PAES谱；它揭示了一种新的反应机制。相相 变变l2D-PALSnPositron lifetime spectra(upper)and three-gamma ratio(lower)as a function of annihilation time for capped()and noncapped ()porous SiO2 films.l慢正电子束技术Table shows typical values for the efficiency,emission energy and energy spread of selected materials and different ge
23、ometries.我国第一个慢正电子束装置我国第一个慢正电子束装置/6.1AEZ A=4.0 gcm-2 keV-1.6平均注入深度随能量变化大约从平均注入深度随能量变化大约从1nm到几个到几个m mm。SiC 单晶在不同条件单晶在不同条件退火后缺陷的变化退火后缺陷的变化脉冲慢正电子束脉冲慢正电子束Cross-sectional view of the chopper and buncher.p正电子衍射（低能和高能）正电子衍射（低能和高能）pPAES技术技术正电子表面研究技术 几十多年以来，科学家们致力于寻找最合几十多年以来，科学家们致力于寻找最合适的研究固体表面的探针，电子、正电子、光适的
24、研究固体表面的探针，电子、正电子、光子、原子和离子都可作为研究表面的探针，然子、原子和离子都可作为研究表面的探针，然而，一个理想的表面结构探针应该具有以下的而，一个理想的表面结构探针应该具有以下的2 2个基本特性：个基本特性：粒子与表面的相互作用应该较弱，以使测量粒子与表面的相互作用应该较弱，以使测量结构可以被精确地模拟计算。结构可以被精确地模拟计算。粒子必须要有小的平均自由程粒子必须要有小的平均自由程(21021年AIST,JapanTOF-PAESBrookhaven National Lab.PAES 这个装置可产生比通常这个装置可产生比通常的的PAES要大要大100100倍的倍的正电子束流强度，这样正电子束流强度，这样可以使测量时间从原来可以使测量时间从原来的几小时减少到几分钟，的几小时减少到几分钟，因此可用来对薄膜生长因此可用来对薄膜生长动力学和不稳定的多成动力学和不稳定的多成份表层系统进行高分辨份表层系统进行高分辨测量研究。测量研究。l微 束感谢观看
