Anwenderbericht – Monochromatische Lichtquellen zur Defekt-Charakterisierung

Ausgabe 170 (9/2023)

Anwenderbericht – Monochromatische Lichtquellen zur Defekt-Charakterisierung

Einleitung

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR betreibt Großforschungsanlagen von internationalem Rang und ist Koordinator und Partner zahlreicher wissenschaftlicher Kooperationen und Projekte. Ein wesentlicher Teil der wissenschaftlichen Infrastruktur des HZDR steht auch externen Forschenden aus Wissenschaft und Wirtschaft zur Verfügung.
Hierbei bietet das ELBE-Zentrum für Hochleistungsstrahlenquellen eine international stark nachgefragte Infrastruktur zur Nutzung verschiedener Arten von Sekundärstrahlen – sowohl elektromagnetische Strahlung in Form von kohärenter Infrarotstrahlung mit sehr hohen Feldstärken, als auch Teilchen, wie Neutronen und Positronen. Der durch Paarerzeugung mit Bremsstrahlung aus dem supraleitenden Elektronenbeschleuniger ELBE (kurz für Electron Linac with high Brillance and low Emittance) erzeugte Positronenstrahl (pELBE genannt) wird mit Energien zwischen 0.5 keV und 30 keV zur Charakterisierung von atomaren Defekten in dünnen Schichten bis 1 µm Stärke eingesetzt.

Positronen-Annihilations-Lebensdauerspektroskopie

Werden Positronen, die Antiteilchen der Elektronen, in Materie implantiert, so annihilieren diese natürlich innerhalb kurzer Zeiten mit den dort befindlichen Elektronen. Hierbei ist jedoch die mittlere Lebensdauer der Positronen stark beeinflusst von der lokalen Elektronendichte am Annihilationsort und kann zwischen wenigen 10 ps für Einfach-Leerstellen in Metallen bis hin zu einigen 100 ns bei der Bildung von Positronium, einem Analogzustand des Wasserstoffatoms reichen. Das Ziel ist nun, durch präzise Bestimmung der Lebensdauer von Positronen in Materie eine Charakterisierung atomarer Defekte, wie Einzel-, Mehrfach-, oder Clusterleerstellen, bzw. Versetzungen und Korngrenzen tiefenabhängig zu charakterisieren. Durch die elektrostatisch effektive Anziehung von Leerstellen (hier fehlt ja die positive Ladung der Atomrümpfe) erreicht die Methode eine Empfindlichkeit im ppm-Bereich.

Manipulation des Ladungszustands von Defekten

Nicht immer liegen die Defekte, beispielsweise in Halbleitern in einem negativ geladenen Zustand vor, weshalb monochromatisches Licht eingesetzt werden kann, um diesen Ladungszustand gezielt zu beeinflussen. An pELBE kommt hierbei eine intensive Xe-Bogenlampe (Bentham B-IL75E-P) mit einem Wellenlängenbereich von 200 nm bis 1500 nm zum Einsatz, mit der gezielt Elektronen in Intraband-Zustände eingebracht werden können und damit Defekte für Positronen gezielt sichtbar gemacht werden können. Neben Halbleitern wurde beispielsweise auch die Aufladung von Defektzuständen in AlN und photochromische Oxyhydride für Anwendungen in der Glasbeschichtung untersucht.
Ein Monochromator (Quantum-Design MSH-300) mit Faseroptik dient dazu, die Lichtquelle auf das Probenmaterial in einer Ultra-Hochvakuumanlage zu fokussieren. Die Möglichkeit zur Steuerung des Monochromators erlaubt die Einbindung in eine automatisierte Messdatenerfassung für in-situ-Messungen der Annihilationslebensdauer von Positronen.