Позитронная аннигиляционная спектроскопия

Позитронная аннигиляционная спектроскопия (ПАС) — это совокупность методов исследования структуры и свойств конденсированных сред, основанных на регистрации характеристик аннигиляционного излучения, возникающего при взаимодействии позитронов с электронами вещества. ПАС позволяет получать информацию о дефектах кристаллической решётки, электронной плотности, пористости, фазовых переходах и других микроскопических характеристиках материалов на уровне атомов и межатомных промежутков.

История

Экспериментальное обнаружение позитрона Карлом Андерсоном в 1932 году и последующее теоретическое описание процесса аннигиляции положили начало развитию методов, использующих позитроны для изучения вещества. В 1940-х годах были проведены первые опыты по регистрации аннигиляционного излучения в твёрдых телах. Однако систематическое развитие позитронной аннигиляционной спектроскопии как аналитического метода началось в 1950–1960-х годах, когда были разработаны основные экспериментальные подходы: измерение времени жизни позитронов, углового распределения аннигиляционных фотонов и доплеровского уширения аннигиляционной линии.

В 1970-х годах ПАС стала применяться для исследования дефектов в металлах и полупроводниках. В 1980-х годах были созданы первые позитронные микроскопы и пучки позитронов с регулируемой энергией, что позволило изучать поверхностные и приповерхностные слои материалов. В 1990–2000-х годах метод активно внедрялся в материаловедение, физику полимеров, нанотехнологии и медицину. В России исследования в области ПАС ведутся в Институте физики твёрдого тела РАН, Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН и других научных центрах.

Физические основы

Позитрон — античастица электрона с той же массой и противоположным электрическим зарядом. При попадании в вещество позитрон в течение пикосекунд (10⁻¹² с) теряет энергию в результате упругих и неупругих столкновений, замедляясь до тепловых скоростей (термализация). После этого он может диффундировать по образцу, пока не аннигилирует с одним из электронов. Время от момента замедления до аннигиляции (время жизни позитрона) и характеристики испускаемых гамма-квантов зависят от локального окружения позитрона.

Аннигиляция позитрона с электроном происходит по закону сохранения энергии и импульса. В результате образуются два (реже три) гамма-кванта с суммарной энергией, равной энергии покоя электрона и позитрона (1,022 МэВ). В случае двухфотонной аннигиляции фотоны разлетаются в противоположных направлениях (угол 180° ± небольшое отклонение, обусловленное импульсом электрона). Энергия каждого фотона немного отличается от 511 кэВ из-за доплеровского сдвига, вызванного движением электрона.

Методы позитронной аннигиляционной спектроскопии

Измерение времени жизни позитронов (PALS — Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy)

Метод основан на регистрации временного интервала между моментом рождения позитрона (обычно по сигналу от испускаемого одновременно с ним гамма-кванта с энергией 1,27 МэВ от источника ²²Na) и моментом аннигиляции (по регистрации одного из аннигиляционных фотонов с энергией 511 кэВ). Время жизни позитрона в веществе составляет от 100 до 500 пикосекунд для свободных позитронов и может достигать нескольких наносекунд для позитрония (связанного состояния позитрона и электрона). По спектру времён жизни определяют количество и тип дефектов (вакансии, дислокации, поры, границы зёрен), а также их концентрацию.

Измерение углового распределения аннигиляционных фотонов (ACAR — Angular Correlation of Annihilation Radiation)

Метод измеряет отклонение угла разлёта двух аннигиляционных фотонов от 180°. Это отклонение (обычно единицы миллирадиан) связано с поперечным импульсом электрона, с которым аннигилировал позитрон. По угловому распределению восстанавливают распределение импульсов электронов в веществе, что позволяет изучать электронную структуру, ферми-поверхность и характер химической связи.

Измерение доплеровского уширения аннигиляционной линии (DBAR — Doppler Broadening of Annihilation Radiation)

Метод регистрирует энергетический спектр аннигиляционных фотонов вблизи 511 кэВ. Уширение линии обусловлено продольным импульсом электрона (доплеровский сдвиг). По форме линии определяют вклад аннигиляции с валентными и остовными электронами, что даёт информацию о химическом окружении дефектов и локальной электронной плотности.

Позитронная спектроскопия с использованием пучков с регулируемой энергией

Для исследования поверхностных и приповерхностных слоёв (толщиной от нескольких нанометров до десятков микрометров) применяют моноэнергетические пучки позитронов с энергией от десятков эВ до десятков кэВ. Изменяя энергию пучка, можно варьировать глубину проникновения позитронов и получать профили дефектов и электронной структуры по глубине образца.

Применение

Материаловедение и физика твёрдого тела

ПАС широко используется для исследования дефектов кристаллической решётки в металлах, сплавах, полупроводниках и диэлектриках. Метод позволяет обнаруживать вакансии, межузельные атомы, дислокации, границы зёрен и поры с размерами от 0,1 до 10 нм. Особенно эффективен метод для изучения радиационных повреждений, возникающих при облучении материалов нейтронами, ионами или электронами.

Исследование пористых материалов

В полимерах, золь-гель материалах, цеолитах и мембранах ПАС позволяет определять размер и концентрацию пор нанометрового диапазона. Время жизни орто-позитрония (o-Ps) в порах коррелирует с их размером, что даёт возможность измерять пористость и распределение пор по размерам.

Полупроводниковая промышленность

ПАС применяют для контроля качества эпитаксиальных слоёв, выявления дефектов упаковки, примесных кластеров и границ раздела в структурах кремний-на-изоляторе, GaAs, SiC и других полупроводниках. Метод чувствителен к дефектам с концентрацией до 10¹⁵–10¹⁶ см⁻³.

Медицина и биология

Позитронная аннигиляционная спектроскопия лежит в основе позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) — метода медицинской визуализации, используемого для диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и неврологических заболеваний. В ПЭТ регистрируют аннигиляционные фотоны от позитрон-излучающих радиофармпрепаратов (например, ¹⁸F-фтордезоксиглюкоза), введённых в организм пациента.

Исследование фазовых переходов и структурных изменений

ПАС чувствительна к изменениям локальной электронной плотности и дефектной структуры, что позволяет изучать фазовые переходы (мартенситные, сегнетоэлектрические, сверхпроводящие), аморфизацию, рекристаллизацию и процессы старения материалов.

Преимущества и ограничения

Преимущества

• Высокая чувствительность к дефектам нанометрового размера (вакансии, кластеры вакансий, поры).
• Возможность неразрушающего контроля объёмных и поверхностных свойств.
• Применимость к широкому классу материалов: металлы, полупроводники, полимеры, керамика, стёкла, биологические ткани.
• Информация о локальной электронной структуре и химическом окружении дефектов.

Ограничения

• Необходимость использования радиоактивных источников позитронов (обычно ²²Na) или ускорителей, что требует соблюдения радиационной безопасности.
• Сложность интерпретации спектров для многокомпонентных и неоднородных систем.
• Ограниченная глубина анализа (до нескольких миллиметров для объёмных образцов, до десятков микрометров для пучковых методов).
• Влияние температуры и электрических полей на поведение позитронов в образце.

Развитие и перспективы

Современные направления развития ПАС включают создание позитронных микроскопов с субмикронным пространственным разрешением, разработку методов in situ для изучения материалов в условиях экстремальных температур, давлений и облучений, а также интеграцию с другими аналитическими методами (рентгеновская дифракция, электронная микроскопия, спектроскопия ядерного магнитного резонанса). В России ведутся работы по созданию позитронных пучков на ускорительных комплексах, в том числе на базе Института ядерной физики СО РАН (Новосибирск) и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Москва). Перспективным является применение ПАС для исследования наноматериалов, графена, углеродных нанотрубок, а также для контроля качества материалов в ядерной энергетике и аэрокосмической промышленности.

Источники

• Баранов А. И., Графутин В. И., Прокопьев Е. П. Позитронная аннигиляционная спектроскопия в физике твёрдого тела. — М.: Наука, 1988. — 240 с.
• Puska M. J., Nieminen R. M. Theory of positrons in solids and on surfaces // Reviews of Modern Physics. — 1994. — Vol. 66, № 3. — P. 841–897.
• Krause-Rehberg R., Leipner H. S. Positron Annihilation in Semiconductors: Defect Studies. — Berlin: Springer, 1999. — 378 p.
• Jean Y. C., Mallon P. E., Schrader D. M. Principles and Applications of Positron and Positronium Chemistry. — Singapore: World Scientific, 2003. — 420 p.
• Соболев А. В., Голубков В. В. Позитронная аннигиляционная спектроскопия наноматериалов // Успехи физических наук. — 2010. — Т. 180, № 10. — С. 1045–1072.
• Tuomisto F., Makkonen I. Defect identification in semiconductors with positron annihilation: Experiment and theory // Reviews of Modern Physics. — 2013. — Vol. 85, № 4. — P. 1583–1631.