Изучение электронной и дефектной структуры

Изучение электронной и дефектной структуры конденсированных сред
методами позитронной аннигиляционной спектроскопии
Руководитель Графутин Виктор Иванович, grafutin@itep.ru, 52-41, 123-63-97
Список участников эксперимента
1. Прокопьев Евгений Петрович,1935, старший научный сотрудник
2. Фунтиков Юрий Васильевич, 1939, ведущий инженер-физик
3. Савельев Геннадий Иванович, 1932, ведущий инженер-физик
4. Мясищева Галина Георгиевна,1931, ведущий инженер-физик
5. Илюхина Ольга Владимировна, 1947, старший научный сотрудник
6. Бугаенко Владислав Ленарович, 1953, старший научный сотрудник
7. Графутин Виктор Иванович, 1937, начальник лаборатории
8. Ситникова Римма Григорьевна, 1940, лаборант ядерно-физической лаборатории
9. Хмелевский Николай Олегович, 1979, аспирант, предполагается защита диссертации
Предполагается участие сотрудников ОИЯИ Дубна под руководством член-корр. РАН
И.Н.Мешкова.
Статус эксперимента
Продолжение экспериментов, набор статистики, обработка экспериментальных результатов.
Цель - изучение электронной и дефектной структуры металлов и сплавов.
Предполагаемые научные результаты
Методы позитронной спектроскопии получили широкое распространение для изучения
свойств конденсированных сред. Измерение параметров аннигиляции позитронов в среде
позволяет получать информацию об электронной структуре среды, образовании и эволюции
дефектов кристаллической решетки, вызванных, в частности, радиационными нарушениями, о
механизме и кинетике физико-химических процессов с участием атома позитрония и
первичных продуктов радиолиза конденсированных сред.
Позитронные методы основаны на экспериментальном измерении параметров аннигиляции
позитронов имплантированных в исследуемую среду [временное (ВРАФ), угловое (УРАФ)
распределение аннигиляционных фотонов и ДУАЛ - доплеровское уширенние
аннигиляционной линии].
Применение метода позитронной аннигиляции для изучения электронной и дефектной
структуры конденсированных сред (металлов, сплавов, полупроводников, ионных кристаллов,
полимеров и других веществ) стало возможным благодаря теоретическим и
экспериментальным исследованиям процесса аннигиляции в этих средах, позволившим
выяснить природу позитронных состояний и их последующего аннигиляционного распада. Эти
исследования позволили связать экспериментально измеряемые параметры аннигиляционных
спектров со свойствами среды окружающей позитрон.
Вообще наиболее полную информацию об исследуемой среде удается получить при
одновременном использовании различных позитронных методик.
1. УРАФ и ДУАЛ - позволяют получить информацию об импульсном распределении
аннигилирующих позитрон-электронных пар.
2. ВРАФ - позволяет получить информацию об электронной плотности в месте
нахождения позитрона.
Так при сопоставлении результатов исследования одних и тех же объектов методами УРАФ и ВРАФ нами было показано, что в поликристаллических металлах позитроны могут
образовывать со свободными электронами комплексы, теоретически предсказанные Уиллером
(e  e  e  ) , а в монокристаллах, поликристаллах и водных растворах галогенидов (NaF, NaCl,
NaBr, NaI) связанные состояния с анионами X- галогена - комплекс X-e+  X-+1Ps.
В ИТЭФ методом УРАФ выполнены экспериментальные исследования позитронной
аннигиляции в металлах, сплавах, конденсированных средах ионного типа (щелочно-галоидных
кристаллах), гидридах, окислах металлов, элементарных полупроводниках и разнообразных
жидких средах. Обнаружена высокая чувствительность позитронного метода к электронной и
дефектной структуре этих веществ.
В 2008 г. планируется продолжить измерения угловых корреляций аннигиляционного (2гамма) излучения с целью исследования электронной и дефектной структуры ряда чистых
металлов (Cd, B, Si, Ni, Cr, Fe), сплавов на их основе и образцов реакторных сталей,
подвергнутых нейтронному облучению и отжигу.
Для этих материалов будет измерена энергия уровня Ферми, удельное число свободных
электронов, приходящихся на один атом металла, их концентрация в зоне проводимости и
вклад внутренних (коровых) электронов в процесс аннигиляции позитронов. В результате будут
определены зависимости этих параметров от химического состава образцов. Для облученных
материалов будут оценены размеры радиационных дефектов и исследовано влияние отжига на
их эволюцию. Экспериментальные значения этих параметров будут сопоставлены с расчетными
величинами.
Параллельно с этими измерениями будут совершенствоваться модели, описывающие
поведение и аннигиляцию позитронов в металлах, будет определена область применимости
модели свободного электронного газа.
Кроме того, предполагается исследовать электронную и дефектную структуру образцов
кварца и кремния, подвергнутых протонному облучению и различным технологическим
обработкам. В этих материалах предполагается исследовать типы дефектов и их топологию.
Для выяснения механизма аннигиляции позитронов в этих материалах желательно провести
исследования с использованием различных позитронных методик: угловой и временной.
Ожидаемые результаты, представляют не только научный интерес, но и будут способствовать
дальнейшей адаптации методов позитронной аннигиляционной спектроскопии для
идентификации и определения количества дефектов особо малых размеров (вакансии,
вакансионные кластеры, поры со свободным объемом до 1 нм3). Это весьма актуальная задача в
области нанотехнологий, имеющая непосредственное отношение к созданию неразрушающих
методов контроля качества материалов. Кроме того, эти результаты будут востребованы при
интерпретации гамма спектров регистрируемых космическими телескопами, в работах по
синтезу антиводорода и созданию пучков монохроматических позитронов с регулируемой
энергией.
Работы позитронной группы ИТЭФ признаны научным сообществом и публикуются в
ведущих научных журналах.
Описание конструкции установки
Установка для измерения углового распределения аннигиляционных фотонов имеет
разрешение 0,4 мрад. и расположена в экспериментальном зале реактора ИРТ МИФИ.
Источником позитронов в ней служит радиоактивный изотоп 64Cu, нарабатываемый в ядерном
реакторе. Близость установки к реактору позволяет проводить работы с использованием
мощных (несколько Кюри) источников позитронов. Это существенно расширяет возможности
установки, а тем самым и класс исследуемых сред. На сегодняшний день установка ИТЭФ
является одной из лучших в мире.
Установку для измерения временного распределения аннигиляционных фотонов (ВРАФ)
предполагается приобрести. Позитронные спектрометры выпускаются различными фирмами –
например фирмой ORTEC (США). Так спектрометр PALS 1000 (Positron Annihilation Lifetime
Spectrometer) стоит примерно 30000$, а гамма-спектрометр DSPec-jr 2.0 с детектором GEM-10
фирмы ORTEC и криостатом на 30 литров 29600 $. Приобретение позитронного
спектрометра PALS позволит проводить детальные исследования различных сред и
разработать методы неразрушающего контроля. Кроме того, наличие разнообразных
позитронных методик может явиться основой для создания в ИТЭФ центра позитронной
спектроскопии и томографии.
График проведения работ
Работы на угловой установке ведутся постоянно в соответствии с графиком работы реактора
ИРТ МИФИ. На установке по измерению времен жизни позитронов эксперименты начнутся
сразу же после ее приобретения. Необходимый для ее работы радиоактивный источник
позитронов (изотоп 22Na) уже закуплен.
Оценка стоимости установки и затрат на эксперимент на 2008 г.
Стоимость установки ВРАФ 750 000 ÷ 1 000 000 руб.
Зарплата сотрудников - 1·280 000. Значительная часть зарплатной составляющей может быть
выплачена из контракта с Росатомом, в котором участвует часть вышеперечисленных
сотрудников.
Роль ИТЭФ в эксперименте
ИТЭФ проводит эксперимент собственными силами.
Грантовая поддержка.
Участие в проекте 06-08-00819 РФФИ
«Исследование дефектной системы металлических облученных материалов структурными и
ядерно-физическими методами»
Полученные результаты и список публикаций
Кратко приведем наиболее интересные результаты, полученные сотрудниками ИТЭФ:
1. концентрации электронов проводимости в металлах, определенные позитронным
методом УРАФ (угловое распределение аннигиляционных фотонов), находятся в хорошем
согласии с результатами расчетов по модели свободного электронного газа
2. в металлах взаимодействие позитронов с электронным газом приводит к локальному
повышению концентрации электронов вокруг позитрона
3. в металлах позитроны могут образовывать со свободными электронами комплексы
Уилера (e  e  e  )
4. в полупроводниках позитронная спектроскопия обладает высокой чувствительностью к
точечным дефектам (примесные атомы, первичные радиационные дефекты и т.п.)
5. в кремнии, облученном протонами, определены размеры радиационных дефектов и их
концентрация
6. получено
экспериментальное
доказательство
возможности
существования
термализованного позитрония в пористом кремнии
7. выявлен механизм образования позитрония в жидких средах – путем рекомбинации
позитрона с одним из квазисвободных электронов позитронного трека
8. установлено сходство механизмов образования позитрония, мюония и радиолитического
водорода
9. экспериментально определено время образования позитрония в полярных средах
(несколько пикосекунд)
10. разработан метод определения коэффициента поверхностного натяжения для сильно
искривленных поверхностей раздела фаз;
11. измерены эффективные заряды анионов F-, Cl-, Br-, I- в монокристаллах, поликристаллах
и водных растворах галогенидов (NaF, NaCl, NaBr, NaI); сделан вывод об одинаковом
механизме аннигиляции позитронов в этих средах – через образование связанных состояний
позитрона с анионами X- галогена - комплекс X-e+  X-+1Ps
12. предложена интерпретация гамма спектров, полученных космической обсерваторией
Интеграл - наблюдаемый позитроний образуется в космических пылинках, размер пылинок
сопоставим с длиной диффузии позитронов, т.е. 0.1 – 1 мкм и начальная энергия позитронов
составляет несколько кэВ.
Эти результаты являются общепризнанными, и в значительной степени именно они
позволили сделать позитронную спектроскопию весьма эффективным инструментом для
изучения первичных стадий внутритрековых процессов и определения физико-химических
характеристик первичных продуктов радиолиза.
Список публикаций сотрудников лаборатории по теме заявки за 2004-2007 г.
1.
В.И.Графутин, Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков, П.В.Крамер, С.А.Гаврилов,
Г.Г.Мясищева, Ю.В.Фунтиков. «Позитронные состояния и фазовые переходы в пористом
кремнии» // Химическая физика. 2004. Т.23. №5. С.22-28.
2.
В.В.Дягилев, В.И.Графутин, О.В.Илюхина, Г.Г.Мясищева, Е.П.Прокопьев,
С.П.Тимошенков, Ю.В.Фунтиков. «Исследование облученных протонами пластин кремния,
используемых для производства структур КНИ, методом позитронной аннигиляционной
спектроскопии» // Материаловедение. 2004. №11. С.16-19; №12. С.14-21.
3.
В.М.Бяков, В.И.Графутин, О.В.Илюхина, Г.Г.Мясищева, Ф.Г.Ничипоров,
С.В.Степанов, О.П.Степанова, Ю.В.Фунтиков. «Особенности взаимодействия молекул
ацетона с квазисвободными электронами: анализ аннигиляционных характеристик
позитронов в водных и спиртовых растворах ацетона» // Химия высоких энергий. 2004. Т.
38. №6. с. 471-475.
4.
С.А.Гаврилов, В.И.Графутин, О.В.Илюхина, Г.Г.Мясищева, Е.П.Прокопьев,
С.П.Тимошенков, Ю.В.Фунтиков. «Прямое экспериментальное наблюдение атома
позитрония в пористом кремнии методом позитронной аннигиляционной спектроскопии» //
Письма в ЖЭТФ. 2005. Т.81. Вып.11-12. С.680-682.
5.
В.И.Графутин, О.В.Илюхина, Г.Г.Мясищева, В.В.Калугин, Е.П.Прокопьев,
С.П.Тимошенков, Н.О.Хмелевский, Ю.В.Фунтиков. «Исследования методом позитронной
аннигиляционной спектроскопии дефектов в облученном протонами кремнии» //
Микроэлектроника. 2005. Т.34. №3. С.218-224.
6.
В.И.Графутин, О.В.Илюхина, Е.П.Прокопьев, Ю.В.Фунтиков. «Аннигиляция
позитронов в водно-спиртовых растворах нитратов» // Химическая физика. 2005. Т.25. №4.
С.13-16.
7.
О.М.Бритков, В.И.Графутин, О.В.Илюхина, Г.Г.Мясищева, Т.Л.Разинкова,
Е.П.Светлов-Прокопьев, С.П.Тимошенков, Ю.В.Фунтиков, Н.О.Хмелевский. «Изучение
методом позитронной аннигиляционной спектроскопии сплавов Pb – Sn» // Вопросы
атомной науки и техники (ВАНТ). Серия: Физика ядерных реакторов. 2005. Вып.2. С.25–29.
8.
О.М.Бритков, В.И.Графутин, О.В.Илюхина, В.В.Калугин, Г.Г.Мясищева,
Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков, Ю.В.Фунтиков. «Исследование дефектов структуры
кремния, облученного протонами, методом позитронной аннигиляционной спектроскопии»
// Материаловедение. 2005. №12. С.7-13.
9.
В.И.Графутин, О.В.Илюхина, В.В.Калугин, Г.Г.Мясищева, Е.П.Прокопьев,
Ю.В.Фунтиков, Ан.С.Тимошенков, Д.К.Григорьев, С.П.Тимошенков. «Исследование
позитронных состояний и дефектов в кремнии, облученном протонами» // Физика и химия
обработки материалов. 2006. №5. С.5-12.
10.
О.М.Бритков, В.Л.Бугаенко, В.И.Графутин, В.Л.Гришкин, В.В.Дягилев,
А.A.Захаров, О.В.Илюхина, В.В.Калугин, Г.Г.Мясищева, Т.Л.Разинкова, Е.П.Прокопьев,
С.П.Тимошенков, Ю.В.Фунтиков. «Изучение методом позитронной аннигиляционной
спектроскопии пластин кремния c различными методами обработки поверхности» //
Поверхность. 2006. №10. С.5-9.
11.
В.И.Графутин, О.В.Илюхина, В.В.Калугин, Г.Г.Мясищева, Е.П.Прокопьев,
Ю.В.Фунтиков, Ан.С.Тимошенков, Д.К.Григорьев, С.П.Тимошенков. «Исследование
позитронных состояний и дефектов в кремнии, облученном протонами» // Физика и химия
обработки материалов. 2006. №5. С.5-12.
12.
А.Л.Суворов, Е.П.Прокопьев, В.И.Графутин, А.Ф.Захаров, Т.Л.Разинкова,
С.П.Тимошенков, Ю.В.Фунтиков. «Позитронные состояния в пылевой космической плазме»
// Украинский физический журнал. 2007.Т.52. №9. С.843-848.
13.
В.И.Графутин, Е.П.Прокопьев, Ю.В.Фунтиков. «Позитронная спектроскопия» //
Инженерная Физика. Специальный выпуск. 2/2007. с.33-39.
14.
В.И.Графутин, Зин Мин У, В.П.Колотушкин, В.Ю.Милосердин, А.Ю.Мищенко,
В.Т.Самосадный, В.Н.Речицкий, Ю.В.Фунтиков, Ю.В.Штоцкий «Исследование изменений
электронной структуры и дефектов структуры сплавов на основе Ni-Cr методом измерения
углового распределения аннигиляционных фотонов» // Физика и химия обработки
материалов. 2007. №1. с. 68-72.
15.
E.P.Svetlov-Prokop’ev, S.P.Timishenkov, V.I.Grafutin, V.V.Kalugin, E.I.Artemov
«Possible properties of positron states in physics and chemistry of a surface and in semiconductor
nanotechnologies» // International Journal of Quantum Chemistry. 2007. Volume 107. Issue 14.
Pages 2844-2848.
16.
О.М.Бритков, С.А.Гаврилов, В.И.Графутин, В.В.Калугин, О.В.Илюхина,
Г.Г.Мясищева, Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков, Ю.В.Фунтиков. «Исследование пористого
кремния методом позитронной аннигиляционной спектроскопии» // Химия высоких
энергий. 2007. Т.41. №1. С.1-6.
17.
В.И.Графутин, Прокопьев Е.П. «Применение позитронной аннигиляционной
спектроскопии для изучения строения вещества» // Успехи физических наук. 2002. Т.172.
№1. C.67-83.
Доклады
1.
A.L.Suvorov, Yu.V.Funtikov, V.I.Grafutin, T.L.Razinkova, E.P.Svetlov-Prokop’ev,
A.F.Zakharov. «Research of positron states in space plazma» // Abstracts of the 6th INTEGRAL
Workshop «The Obscured Universe». 2-8 July 2006. Space Research Institute Russian Academy of
Sciences. Moscow. P.28.
2.
V.I.Grafutin, V.V.Kalugin, E.P.Svetlov-Prokop’ev, S.P.Timishenkov. «Possible
properties of positron states in physics and chemistry of a surface and in semiconductor
nanotechnologies» // Papers Abstracts of XI-th European Workshop on Quantum System in
Chemistry and Physics (QSCP-XI). Sanct-Petersburg, August 20-26, 2006. Ioffe FTI RAN, 2006.
C.119-125.
3.
Графутин В.И., Захаров А.Ф., Разинкова Т.Л., Прокопьев Е.П., Тимощенков С.П.
«Позитронные состояния в пылевой плазме» // XVIII Менделеевский съезд по общей и
прикладной химии, Москва, 2007 г., 23-28 сентября, Тезисы докладов, с.328.
4.
Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П., Залужный А.Г., Графутин В.И., Калугин В.В.
«Возможности исследования пористых систем и наноматериалов методом позитронной
аннигиляционной спектроскопии» // XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной
химии. Москва, 2007г., 23-28 сентября, Тезисы докладов.