способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала
Классы МПК: | G01N23/00 Исследование или анализ материалов радиационными методами, не отнесенными к группе 21/00 или 22/00, например с помощью рентгеновского излучения, нейтронного излучения |
Автор(ы): | Хидетсугу Икегами (JP) |
Патентообладатель(и): | Джапан Сайенс энд Текнолоджи Корпорейшн (JP) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-07-15 публикация патента:
27.09.1999 |
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 Psn, n > 2, целое число. Гамма-лучи когерентной аннигиляции, генерированные в результате аннигиляции молекул позитрония Рsn, детектируются так, чтобы отделить молекулы позитрония Psn 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.
Рисунок 1
Формула изобретения
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 Psn, где n![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138026/8805.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138026/8805.gif)
Описание изобретения к патенту
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 Psn 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 Psn используются гамма-лучи когерентной аннигиляции, которые образуются в результате когерентной фотонной аннигиляции, в которой все позитронии Ps, которые составляют молекулу позитрония Psn аннигилируют одновременно в одинаковой фазе; и
(3) на атомном уровне изменяется местоположение, где образуется молекула позитрония Psn 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 Psn служат идеальным зондом, который позволяет наблюдать на атомном уровне процессы в поверхностном слое материала. Молекула позитрония Psn 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 Psn 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/
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138013/960.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138797/2138797-2t.gif)
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:
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138797/2138797-3t.gif)
в котором rчетн и rнечетн расстояния между ближайшими соседями с одинаковым знаком заряда и между ближайшими соседями с противоположным знаком заряда, соответственно, и аo 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 Psn, где n>2. Поэтому, в схеме распада Psn, в дополнение к скорости двух фотонной аннигиляции
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138018/955.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138040/8594.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138023/947.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138018/955.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138040/8594.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138023/947.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138018/955.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138040/8594.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138023/947.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138018/955.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138040/8594.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138023/947.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138018/955.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138040/8594.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138023/947.gif)
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:
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138018/955.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138040/8594.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138023/947.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138018/955.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138040/8594.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138023/947.gif)
или
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138018/955.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138040/8594.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138023/947.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138018/955.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138040/8594.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138023/947.gif)
Это приводит к заключению, что больше половины молекул позитрония Psn 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 Psn определяется из энергии гамма-лучей, и скорость образования Psn 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 Psn, 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 Psn. 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) = (hmono/2
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138013/960.gif)
в котором mo - масса электрона, m+ - эффективная масса поверхностного позитрона, Ea - 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 no - критическая плотность поверхностных позитронов. Критическая плотность no поверхностных позитронов дается следующим выражением:
no= 8
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138013/960.gif)
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) = (hmon+/2
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138013/960.gif)
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-Ea)/kT] (9)
Поскольку значение Ea 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 - Ea). Например, в случае, когда поверхностные позитроны (с плотностью)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138797/2138797-4t.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138797/2138797-5t.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138797/2138797-6t.gif)
![способ и устройство для исследования физических свойств поверхностного слоя материала, патент № 2138797](/images/patents/333/2138797/2138797-7t.gif)
(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 Psn и детектируются гамма-лучи когерентной аннигиляции, генерированные в результате аннигиляции молекул позитрония, таким образом выборочно наблюдая молекулы позитрония Psn. 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.
Класс G01N23/00 Исследование или анализ материалов радиационными методами, не отнесенными к группе 21/00 или 22/00, например с помощью рентгеновского излучения, нейтронного излучения