СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛА Российский патент 1999 года по МПК G01N23/00 

Изобретение имеет отношение к способу и устройству для исследования на атомном уровне не только состояния локализованных электронов, но также и каталитической активности и других процессов в поверхностном слое нового материала или чего-то подобного, со временем отклика короче одной наносекунды.

Наблюдение гамма-лучей аннигиляции позитронов, которое является очень эффективным в исследовании объемных (больших) кристаллов или чего-то подобного, обеспечивает важной информацией о состоянии локализованных электронов внутри или на поверхности образца, которая усреднена в исчислении времени и пространства. Однако, так как не было никакого способа определения на атомном уровне местоположения, в котором происходит образование гамма-лучей аннигиляции позитрона, было невозможно микроскопически исследовать процессы типа каталитической активности в поверхностном слое образца.

Поэтому, существовала проблема, состоящая в том, что процессы типа каталитической активности в поверхностном слое материала или на границе раздела (материалов) не могли быть исследованы на атомном уровне с временем отклика короче одной наносекунды.

В основу настоящего изобретения положена задача решить вышеописанные проблемы и обеспечить усовершенствованные способ и устройство для исследования на атомном уровне физических свойств поверхностного слоя материала, таким образом делая возможным наблюдение на атомном уровне состояния локализованных электронов и процессы типа каталитической активности в поверхностном слое или на границе раздела образца, с временем отклика короче одной наносекунды.

Чтобы успешно выполнить вышеупомянутую задачу, в соответствии с настоящим изобретением:
(1) используются молекулы позитрония Ps_n в качестве зонда, который делает возможным высоко чувствительное измерение физических свойств поверхностного слоя материала, в частности процессов типа каталитической активности с высокой чувствительностью;
(2) чтобы выборочно детектировать молекулу позитория Ps_n используются гамма-лучи когерентной аннигиляции, которые образуются в результате когерентной фотонной аннигиляции, в которой все позитронии Ps, которые составляют молекулу позитрония Ps_n аннигилируют одновременно в одинаковой фазе; и
(3) на атомном уровне изменяется местоположение, где образуется молекула позитрония Ps_n для исследования на атомном уровне процессов в поверхностном слое материала.

На чертеже представлена блок-схема компоновки сканирующего позитроний-молекулярного микроскопа в соответствие с вариантом воплощения настоящего изобретения, в котором импульсы пучка медленных позитронов имеют энергию от нескольких Кэв до нескольких десятков Кэв (килоэлектронвольт), и длительность в наносекундном диапазоне.

В дальнейшем настоящее изобретение поясняется подробным описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылкой на сопроводительный чертеж.

(1) Молекулы позитрония Ps_n служат идеальным зондом, который позволяет наблюдать на атомном уровне процессы в поверхностном слое материала. Молекула позитрония Ps_n представляет собой молекулу, составленную из (числа) n позитрониев Ps, которые являются самыми легкими атомами и состоят из n позитрониев и n электронов. Среди молекул позитрония Ps_n та молекула позитрония, чья степень кластеризации (группирования) n равна 2, называется дипозитронием и является самой легкой молекулой во вселенной.

(2) Возможность присутствия дипозитрония Ps₂ была показана пол века назад (см. "Е. A. Hylleraas и A. Ore, Phys. Rev. 11, 493 (1947)"). С тех пор проводились многочисленные теоретические изыскания относительно формы и энергии связи дипозитрония Ps₂. Однако, пока не известно способа детектирования дипозитрония, дипозитроний еще не наблюдался.

(3) Форма и энергия связи устойчивого дипозитрония Ps₂ может быть определена, используя условие минимизации внутренней энергии дипозитрония Ps₂, которая является суммой нулевой энергии (нулевых колебаний); то есть, кинетической энергии и потенциальной энергии. Здесь кинетическая энергия получается посредством квантования каждого углового момента для соответствующих трех ортогональных осей, проходящих через центр массы молекулы Ps₂ на h/π, где h - постоянная Планка.

(4) Полученные таким образом результаты находятся в хорошем согласии с численными решениями, полученными посредством компьютерных вычислений, о которых сообщалось до настоящего времени. Результаты можно обобщить следующим образом.

(а) В дипозитронии Ps₂, изолированном в вакууме, два p-Ps (парапозитрония) или два о-Ps (ортопозитрония) - спарены между собой со слабой энергией связи В, данной следующим соотношением:

в котором E (Ps) это полная энергия позитрония Рs, и E (Ps₂) это полная энергия дипозитрония Рs₂. Поэтому, дипозитроний Ps₂ устойчив только в основном состоянии.

(б) Дипозитроний Рs₂ имеет форму, подобную правильному тетраэдру или пирамидальной форме, в которой каждая сторона имеет длину:

в котором r_четн и r_нечетн расстояния между ближайшими соседями с одинаковым знаком заряда и между ближайшими соседями с противоположным знаком заряда, соответственно, и а_o это радиус Бора.

(в) Благодаря очень маленькой энергии связи В, электронная плотность n (Ps₂) внутри дипозитория Ps₂, или плотность электронов в расположении позитрона, становится почти такой же как электронная плотность n (Ps) внутри позитрония Ps. Поэтому, скорости аннигиляции парапозитрония p-Ps и ортопозитрония о-Ps внутри дипозитрония Ps₂ пропорциональны n (Ps₂) и соответственно подобны скоростям аннигиляции изолированных p-Ps и о-Ps за исключением статистических факторов (операторов). Особенно важным результатом является то, что расстояние между двумя позитрониями Ps внутри дипозитрония Ps₂ короче, чем длина волны де Бройля, из чего следует, что они когерентны, то есть, находятся в одинаковой фазе, подобно конденсации Бозе-Эйнштейна. Поскольку Ps является базовым ионо-связанным атомом, вышеупомянутое рассуждение о конфигурации Ps₂ может применяться к Ps_n, где n>2. Поэтому, в схеме распада Ps_n, в дополнение к скорости двух фотонной аннигиляции λ(Ps_n_→ 2γ, Ps_n-1), которая представляет вероятность, с которой каждый позитроний Ps внутри молекулы позитрония Ps_n аннигилирует независимо, следует рассматривать скорость когерентной 2-n - фотонной аннигиляции λ(Ps_n_→ 2nγ), которая представляет вероятность, с которой позитроний Ps в количестве n аннигилируют одновременно, производя n пар когерентных фотонов в одном направлении.

(5) Вероятность λ(Ps_n_→ 2γ, Ps_n-1), с которой любой из позитрониев Ps (аннигилирует) внутри молекулы позитрония Ps_n, в n раз больше скорости аннигиляции отдельного позитрония Ps, представлена следующим уравнением:
λ(Ps_n_→ 2γ, Ps_n-1) = nλ(Ps _→ 2γ). (3)
Когда n позитронии Ps вызывают когерентную фотонную аннигиляцию в одинаковой фазе, амплитуда аннигиляции вместо вероятности становится равной n амплитуд аннигиляция отдельного позитрония; поэтому вероятность представлена следующим уравнением:
λ(Ps_n_→ 2nγ) = n²λ(Ps _→ 2γ), (4)
или
λ(Ps_n_→ 2nγ) = nλ(Ps_n_→ 2γ, Ps_n-1). (5)
Это приводит к заключению, что больше половины молекул позитрония Ps_n вызывают когерентную аннигиляцию.

В когерентной аннигиляции n пар фотонов испускаются (излучаются) в одно и то же время и в одном направлении. Поэтому, когда такая когерентная аннигиляция наблюдается с помощью обычного детектора гамма-лучей, когерентная аннигиляция детектируется как если бы это было двух-фотонная аннигиляция, имеющая энергию n х 511 Кэв; то есть, энергию гамма-лучей аннигиляции, умноженную на n раз.

(6) Из вышеупомянутого рассуждения вытекает, что посредством регистрации спектрального распределения гамма-лучей аннигиляции, степень кластеризации - n молекуля позитрония Ps_n определяется из энергии гамма-лучей, и скорость образования Ps_n может определяться на основе спектрального распределения интенсивности гамма-лучей.

В дальнейшем, со ссылкой на сопроводительный чертеж, настоящее изобретение поясняется подробным описанием варианта его воплощения, в котором молекулы позитрония Ps_n, служащие как зонд, используются так, чтобы исследовать на атомном уровне физические свойства поверхностного слоя материала, в частности такие процессы, как каталитическая активность.

На чертеже представлена блок-схема компоновки сканирующего позитроний-молекулярного микроскопа в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения, в котором импульсы пучка медленных позитронов имеют энергию от нескольких Кэв до нескольких десятков Кэв (килоэлектронвольт), и длительность в наносекундном диапазоне.

На чертеже позиция 1 обозначает пучок медленных позитронов, позиция 2 обозначает тонкопленочный образец, позиция 3 обозначает зонд, позиция 4 обозначает фотонную пару когерентной аннигиляции, позиция 5 обозначает детектор гамма-лучей (фотонов) аннигиляции, позиция 6 обозначает экран для защиты от излучения (радиации), позиция 7 обозначает систему электродов, фокусирующую пучок позитронов, позиция 8 обозначает соленоидальную катушку, и позиция 9 обозначает спектроанализатор совпадающих гамма-лучей аннигиляции.

Толщина тонкопленочного образца 2 устанавливается приблизительно равной 0.1 мкм, чтобы дать возможность пучку 1 медленных позитронов проходить через образец 2. Пучок медленных позитронов 1 иррадиируется на заднюю поверхность образца 2 так, что он сходится на задней поверхности. В точке сходимости пучок имеет диаметр, соответствующий толщине образца 2.

Значительная часть иррадиированных позитронов скапливается вблизи передней и задней поверхности тонкопленочного образца 2 в виде поверхностных позитронов. Поверхностные позитроны относятся к тепловым позитронам, которые привязаны к поверхности их потенциальным рельефом.

Когда разность потенциалов между зондом 3 и тонкопленочным образцом 2 достигает нужной величины, поверхностные позитроны скапливаются в очень маленьком зазоре между кончиком зонда 3 и тонкопленочным образцом 2, так что позитроны соединяются (образуют пары) вместе с электронами, чтобы образовать позитроний Ps и молекулы позитрония Ps_n.

Скорость Z (Ps) образования позитрония Ps на поверхности может быть получена на основе термодинамики. То есть скорость Z(Ps) образования позитрония Ps получается в соответствии со следующим уравнением:
Z(Ps) = (hm_on_o/2πm2+

)(1-r₁)exp(-E_a/kT), (6)
в котором m_o - масса электрона, m₊ - эффективная масса поверхностного позитрона, E_a - средняя энергия, с которой позитроний Ps привязан к поверхности образца, k - постоянная Больцмана, Т - температура поверхностного слоя образца, r₁ - среднее значение коэффициента отражения позитрония Ps от поверхности образца, и n_o - критическая плотность поверхностных позитронов. Критическая плотность n_o поверхностных позитронов дается следующим выражением:
n_o= 8π²m₊kT/h². (7)
В поверхностном слое материала дипозитроний Ps₂ образуется путем взаимодействия между двумя поверхностными позитронами. Полученная на основе термодинамики скорость образования (Ps₂), выражается следующим образом:
Z(Ps₂) = (hm_on₊/2πm2+)(1-r₂)exp(B-2E_a/kT), (8)
где r₂ - среднее значение коэффициента отражения дипозитория Ps₂ от поверхности образца, и n₊ - плотность поверхностных позитронов. Значение В, которое представляет собой энергию связи позитрониев Ps внутри позитрония Ps₂, может слегка отклоняться от значения из уравнения (1) в зависимости от состояния поверхностного слоя.

Из уравнений (7) и (8), отношение скоростей образования между Ps и Ps₂, синтезированных в поверхностном слое материала получается следующим:
Z(Ps₂)/Z(Ps) = (n₊/n₀) (1-r₂/1-r₁) exp [(B-E_a)/kT] (9)
Поскольку значение E_a изменяется в зависимости от обработки поверхности образца, отношение скоростей образования существенно изменяется с изменением состояния поверхностного слоя образца; такого как химическая активность, по экспоненциальной зависимости от (B - E_a). Например, в случае, когда поверхностные позитроны (с плотностью) скапливаются вокруг кончика зонда в поверхностном слое с коэффициентами отражения и энергией и с температурой ниже точки замерзания, образование дипозитрония Ps₂ с энергией связи резко увеличивается с уменьшением температуры. При температуре жидкого азота образуется больше дипозитрониев Ps₂, чем позитрониев Ps. Само собой разумеется, вышеописанное рассуждение, касающееся дипозитрониев Ps₂, можно применять к молекулам позитрония, имеющим большую степень кластеризации позитрониев (n > 2).

На образование молекул позитрония Ps_n во многом действуют молекулы, поглощенные на поверхности образца, и состояние наиболее удаленного от середины (образца) слоя такого, как тонкие дефекты, а также локальные плотности поверхностных позитронов и электронов. Соответственно, регулирование очень маленькой разности потенциалов между зондом 3 и тонкопленочным образцом 2 делает возможным изменение плотности поверхностных позитронов, так, чтобы изменять скорость образования молекул позитрония Ps_n и спектр степени кластеризации n. Зависимость времени от скорости образования и степени кластеризации молекул позитрония Ps_n может быть исследована путем изменения интенсивности и длительности импульса пучка медленных позитронов 1.

Молекулярные оси молекулы позитрония Ps_n, образованной в поверхностном слое образца; то есть, оси, которые соединяют центры компонентов позитрония Ps внутри молекулы позитрония PS_n, параллельны поверхностному слою образца, потому что потенциальный рельеф, который захватывает молекулу позитрония Ps_n на поверхностном слое, является плоским. Поскольку фотонные пары 4 когерентной аннигиляции главным образом испускаются вдоль молекулярных осей в противоположных направлениях, фотонные пары 4 когерентной аннигиляции молекул позитрония Ps_n, образованных в поверхностном слое образца, испускаются только в направлениях, параллельно поверхностному слою, поэтому эффективность обнаружения может быть многократно увеличена посредством (правильной) установки детектора, как показано на чертеже, по сравнению с обычной установкой, в которой фотонные пары аннигиляции равномерно испускаются в пространство.

Поскольку молекулы позитрония Ps_n образуются в очень маленьком пространстве и образованные молекулы позитрония Ps_n выборочно детектируются с высокой эффективностью, то легко отслеживать точку образования, меняя ее (положение) на атомном уровне посредством супермикродвигателя, то есть путем пьезоуправления зондом. Поэтому становится возможным исследовать изменения во времени и пространственное распределение процессов в наиболее удаленных от середины образца слоев. Это становится мощным средством для разработки новых материалов.

Медленный пучок позитронов 1 периодически иррадиируется, чтобы обеспечить импульсы, каждый из которых имеет длительность 1 нс или меньше. Это позволяет измерять туннельный ток, который течет через зонд на протяжении промежутка времени между импульсами. Соответственно, кроме функции наблюдения за молекулами позитрония Ps_n, устройство настоящего изобретения может иметь функцию работы в качестве микроскопа со сканирующим зондом различных типов, таких, как сканирующий туннельный микроскоп так, что различные виды информации могут быть получены одновременно на атомном уровне.

Настоящее изобретение не ограничивается вариантами воплощения, описанными выше. Возможны многочисленные модификации и вариации настоящего изобретения в рамках сущности изобретения. Например, пучок медленных позитронов может иррадиироваться на переднюю поверхность образца, с которой контактирует зонд.

Настоящее изобретение обеспечивает следующие достоинства:
(A) Импульсный пучок медленных позитронов, имеющий длительность импульса в наносекундном диапазоне, фокусируется и иррадиируется на заднюю поверхность тонкопленочного образца материала, а зонд приводится в контакт с передней поверхностью образца так, что зонд оказывается лицом к лицу с иррадиированным пучком медленных позитронов. Зонд приводится в движение также, как в сканирующем туннельном микроскопе. Поверхностные позитроны скапливаются в узком зазоре в точке контакта так, чтобы образовать молекулы позитрония Ps_n и детектируются гамма-лучи когерентной аннигиляции, генерированные в результате аннигиляции молекул позитрония, таким образом выборочно наблюдая молекулы позитрония Ps_n. Затем интенсивность гамма-лучей когерентной аннигиляции сравнивается с интенсивностью других гамма-лучей аннигиляции позитронов, так что становится возможным измерять на атомном уровне физические свойства самых удаленных от середины образца слоев материала, в частности, процессы типа каталитической активности, с временем отклика короче одной наносекунды.

(Б) Так как сканирующий позитрониево-молекулярный микроскоп может иметь функцию работы в качестве микроскопа со сканирующим зондом различных видов, многочисленные виды информации могут быть получены на атомном уровне.

Раскрывается усовершенствованный способ, который исследует поверхностный слой материала. Импульсный пучок медленных позитронов, имеющий длительность импульса в наносекундном диапазоне, фокусируется и иррадиируется на заднюю поверхность тонкопленочного образца, и зонд приводится в контакт с передней поверхностью образца. Поверхностные позитроны скапливаются в узком зазоре в точке контакта так, чтобы образовать молекулы позитрония Ps_n, n > 2, целое число. Гамма-лучи когерентной аннигиляции, генерированные в результате аннигиляции молекул позитрония Рs_n, детектируются так, чтобы отделить молекулы позитрония Ps_n от позитронов и позитрониев Рs, таким образом измеряя на атомном уровне физические свойства поверхностного слоя материала с временем отклика короче 1 нс. Технический результат: способ позволяет регистрировать на атомном уровне состояние локализованных электронов в поверхностном слое материала и процессы в поверхностном слое, такие, как каталитическая активность, с временем отклика короче 1 нс. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ исследования поверхностного слоя материала, отличающийся тем, что импульсный пучок медленных позитронов, имеющий длительность импульса в наносекундном диапазоне, фокусируют и иррадиируют на заднюю поверхность тонкопленочного образца материала, горизонтально перемещающийся зонд приводят в контакт с передней поверхностью образца так, что зонд оказывается лицом к лицу со сфокусированным пучком медленных позитронов, поверхностные позитроны скапливают в узком зазоре в точке контакта так, чтобы образовать молекулы позитрония Ps_n, где n≥2, целое число, и гамма-лучи когерентной аннигиляции, генерированные в результате аннигиляции молекул позитрония, детектируют и отделяют молекулы позитрония Ps_n от позитронов и позитрониев Ps, таким образом измеряют на атомном уровне динамические свойства поверхностного слоя материала с временем отклика короче 1 нс. 2. Способ исследования поверхностного слоя материала по п.1, отличающийся тем, что местоположение образования молекул позитрония Ps_n перемещают на атомном уровне путем изменения положения зонда, и спектр гамма-лучей когерентной аннигиляции, генерированных в результате аннигиляции молекул позитрония Ps_n, регистрируют путем сканирующего наблюдения и определяют местоположение и продолжительность образования молекулы позитрония Ps_n, а также степень кластеризации n молекулы позитрония Ps_n, и таким образом измеряют активность поверхностного слоя материала на атомном уровне. 3. Сканирующий позитрониево-молекулярный микроскоп, отличающийся тем, что содержит средство для фокусировки и иррадиации на заднюю поверхность тонкопленочного образца материала импульсного пучка позитронов с длительностью импульса в наносекундном диапазоне, зонд, который расположен с возможностью контакта с передней поверхностью образца и впереди сфокусированного пучка медленных позитронов, причем зонд выполнен с возможностью передвижения в горизонтальном направлении вдоль поверхности образца, детекторы гамма-лучей аннигиляции, выполненные с возможностью детектирования когерентных гамма-лучей аннигиляции, образующихся вследствие аннигиляции молекул Ps_n в точке контакта между зондом и передней поверхностью образца, где n≥2, целое число, и анализатор спектра гамма-лучей аннигиляции по совпадениям, подсоединенный к детекторам гамма-лучей аннигиляции. 4. Сканирующий позитрониево-молекулярный микроскоп по п.3, отличающийся тем, что выполнен с возможностью работы в качестве микроскопа сканирующего зонда отличного типа, такого, как сканирующий туннельный микроскоп, с возможностью одновременного выполнения и исследования путем сканирования молекул позитрония, а также исследования посредством работы в качестве микроскопа сканирующего зонда отличного типа.