Uğur Yahşi ve Cumali TAV Marmara Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü Kadıköy, İstanbul, Türkiye MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 1

Transkript

1 Uğur Yahşi ve Cumali TAV Marmara Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü Kadıköy, İstanbul, Türkiye MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 1

2 Pozitron Tarihi 1896: Elektron un keşfi (J. J. Thomson - corpuscles) 1928: P.A.M. Dirac tarafından antielektron (pozitron) önerildi, Kuantum Elektrodinamik Teorisi (1933 Nobel) 1932: Pozitron, C.D. Anderson tarafından kozmik ışınların Wilson Buhar Odasında tespit edildi.(1936 Nobel) 1946: M.Deutch pozitronyum atomunu (pozitron ve elektron bağ hali) gazların içerisinde pozitron yokolmasıyla saptadı. 1960: Katıhal Fiziği: Pozitronyum boşluk kusurları içerisinde saptandı; Örgü-Fermi yüzey kafeslerinde yerelleşememektedir. 1970: Nükleer Tıp: Pozitron Emisyon Tomografisi (PET) 1975: Yüzey Bilimi: Pozitron, negatif iş fonksiyonuna sahip olmasından derinlemesine boşluk kusur profili çıkarılmaktadır Günümüze: Pozitron kimyasında, malzeme kusurları ve yüzey probu olarak çalışılmaktadır. P.A.M. Dirac Carl David Anderson MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 2

3 Na Ne e ( t 2.6 yıl) 22 22* ps Kısa ömürlü β + kaynağı C 11 (20'), N 13 (10'), O 15 (2') F 18 (110'), Rb 82 (1.27') Pozitron (β + ) Oluşumu Ne ( MeV ) ps The Decay Scheme of 22 Na Na 22 Bozunum Şeması E 2 10 Ne22 C B e ( t 20.3 dak.) +, EC y 11 Na % EC 10% % MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 3

4 Yayınlanma Olasılığı Pozitron Enerji Spektrumu Yayınlanan Pozitronun Enerjisi (kev) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 4

5 Na22 Enerji Spektrumu MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 5

6 Bir Yapıda Pozitron Pick-off yokolması (kap-yokol) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 6

7 Pozitronyum Atomu (Ps) Hidrojen Atomu Pozitronyum Proton Pozitron Elektron Elektron Parapozitronyum (p-ps) Zıt Spin Tekli Hal p Ps ns e + e - e + e - 1 S S 1 e + e + e - e - Orthopozitronyum (o-ps) Paralel Spin Üçlü Hal o Ps ns MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 7

8 Pozitron/Pozitronyum Yokolma Spektroskopisi (PAS) Teknikleri Pozitron Yokolma Ömür Spektroskopisi (PALS) (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy) Moleküller arası serbest hacmin ve boşlukların ölçülmesi Yokolma Enerji Spektroskopisinin Doppler Genleşmesi (DBES) Doppler Genişleşmiş Yokolma Spektroskopisi (DBAR) (Doppler Broadening of Annihilation Energy Spectroscopy) Yarıiletken malzemelerde kimyasal kusurlar Annihilasyon Radyasyonunun Açısal Korelasyonu (ACAR) (Angular Correlation of Annihilation Radiation) Fermi yüzeyi Değişken Tek-enerjili Pozitron Demeti-Yavaş Pozitron Demeti (Variable Mono-energetic Positron Beam-Slow Positron Beam) Yüzey ve arayüzeyler MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 8

9 Tipik Pozitron/Ps Ömür Aralıkları MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 9

10 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 10

11 PALS Deney Düzeneği MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 11

12 Ps Ömür Spektrumu N(t) λit Iiλie MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 12

13 pick off Kapkaç (Pick-off) Yokolma Hızı 1 R 1 2 R sin 3 R0 2 R R ns r r dr 2 Ps Serbest Hacim Boşluk Yarıçapı ile o-ps kapkaç yokolma arasında nicel ilişki: f R MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 13

14 3 ve Serbest Hacim Arasındaki İlişki 3 1 R 1 2 R 1- sin 2 R 0 2 R0 1 Moleküler katılar ve zeolit için o-ps ömrü ve serbest hacim arasındaki korelasyon eğrisi. R= R 0 R=1.656 Å MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 14

15 Pozitron Verileriyle Teoriler Arasındaki İlişki 1969 da Simha ve Somcynsky (SS) polimerin istatistiksel termodinamiği teorisinde serbest hacmin bir ölçüsü boşluk kesri fonksiyonunu, deneysel P-V-T verilerinden hesaplamışlardır (1969). Fiziksel olarak bu nicelik: h n( ) d N th f f f f Boşluk sayı yoğunluğu ( ): ve d f f f n( ) d f f Birim hacimdeki boşlukların sayısı: N n( f) d f Ortalama serbest hacim boşluk boyutu: f Kobayashi nin (Kobayashi, et al., 1989) PVAc ler üzerindeki pozitron deneyleri h CI ( ) ps 3 f 3 h Ps h th MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 15

16 Polistiren de o-ps Ömrünün Sıcaklıkla Değişimi Z. Yu, U. Yahsi,., J. Poly. Sci. Poly. Phys., 32, 2637, (1994) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 16

17 Polistiren de Boşluk Kesrinin Sıcaklıkla Değişimi h CI ( ) ps 3 f MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 17

18 PU da o-ps Ömrü ve Şiddeti ( ns) 3 I 3 T(K) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 18

19 214K 273K 339K PU da Serbest Hacim Kesri Serbest Hacim Kesri (%) 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 h h h CI ( ) ps 3 f K K T(K) K K MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 19

20 o-ps ömrünün Sıcaklıkla Değişimi (ns) f ( ) T(K) LiClO4 0% LiClO4 1% LiClO4 10% LiClO4 20% MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 20

21 Boşluk Kesrinin Sıcaklıkla Değişimi LiClO4 0% LiClO4 1% LiClO4 10% LiClO4 20% h (%) T (K) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 21

22 Doppler Genleşmiş Pozitron Yokolma Radyasyonu (DBAR) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 22

23 Doppler Spektrumu Örgü Kusurlarına Duyarlıdır MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 23

24 S ve W Parametreleri S AS A W 2 A A W Serbest Hacim Kusurlarında: S parametresi W parametresi Parametrelerin Duyarlılığı: S parametresi-boşluklara W parametresi-kimyasal Kusurlara MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 24

25 S parametresinin LiClO 4 Tuz Katkısına Göre Değişimi 0, S 0,49 3 (ns) 3.0 0,48 0, K 333 K 373 K wt (%) wt (%) T=293K T=333K T=373K MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 25

26 Yavaş Pozitron Demet Sistemleri MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 26

27 Pozitronların Moderasyonu W(110) Ne Moderator Moderasyon etkinliği W ye göre 20 kat fazla yani %1 e yakın bir etkinliği olduğu Greaves ve Surko gösterilmiştir. R. G. Greaves, C. M. Surko, Canadian Journal of Physics, 1996, 74. Moderasyon Etkinliği: MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 27

28 Marmara Üniversitesinde Yavaş Pozitron Demet Sistemi MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 28

29 Yavaş Pozitron Demet Sistemi Neon Moderatör T= K Pozitron Demet çapı: < 3mm (B ye bağlı olarak) Pozitron akısı: /san (50 mci 22 Na) Moderator bozunum oranı: Minimum toplam<20 gün MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 29

30 Yavaş Pozitron Demet Sistemi MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 30

31 Yavaş Pozitron Demet Sistemi Moderatörden çıkan pozitronların enerji dağılımı: Dar enerji aralığı yaklaşık 1.7 ev (FWHM) ( ev arası) Moderatörden çıkan demetin zamanla değişimi. Günlük bozunum % MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 31

32 SONUÇLAR PALS tekniğiyle orto-pozitron ömrü ve şiddeti ile yapısal boşluk kesri bulunup maddenin fiziksel ve kimyasal özellikleri ile ilişkilendirilebilir. DBAR veya DBES tekniğiyle yapısal boşluk kusurları ve kimyasal kusurları incelenebilir. Yavaş Pozitron Sistemiyle yüzeylerin derinlik kusur profili çıkarılabilir MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 32

33 Pozitron Yüzey Etkileşimi MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 33

34 Katılarda Termalizasyon Geniş bir pozitron yayınım spektrumu Katılardan derin implantasyon İnce katmanlarda kullanımı yoktur Moderasyonla monoenerjik pozitron üretilebilir Pozitronların ortalama (maksimum) nüfuz derinliği Si: 50µm (770µm) GaAs: 22µm (330µm) PbS: 15µm (220µm) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 34

35 İon İmplantasyonuyla Oluşan Si daki Kusurlar İyon implantasyonu en önemli katkılama teknolojisidir. Bu ise kusurların oluşumuna neden olur ve Pozitron Demet Sistemiyle Ölçülebilir. (Eichler et al., 1997) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 35

36 İon İmplantasyonuyla Oluşan Si daki Kusurlar MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 36

37 Deneysel Pozitron Verileri ile Teorik Yüzey Yoğunluk Profillerinin Karşılaştırılması PMMA (75kg) PS (190kg) y b 1 x x0 dy CT y y 1 ln s s yb ys s yb ys MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 37

38 Annihilasyon Radyasyonunun Açısal Korelasyonu (ACAR) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 38

39 Martin Luther University of Halle Yavaş Pozitron Demet Sistemi Prof. Dr. Reinhard Krause-Rehberg MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 39

40 UMKC de Yavaş Pozitron Demet Sistemi Prof. Dr. Jerry Jean MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 40

41 Pozitronların Nüfuz Olasılığı Derinlik çözünürlüğü implatasyon derinliğinin fonksiyonudur. Pozitron enerjisi arttıkça derinlik çözünürlüğü sınırlanmaktadır. m m 1 mz z P( z, E) exp m z0 z 0 z f ( E, ) z sabit, m 2 Makhov MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 41

42 ACAR Düzeneği MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 42

43 Bakırın Fermi Yüzeyinin 2D ACAR MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 43

44 Trento Positron Annihilasyon Set-up MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 44

45 Trento-München Pozitron Mikroskop 500 ev 25 kev spot = 2 μm MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 45

46 Trento Positron Annihilasyon Set-up Auger Spektroskopi Düşük Enerji Pozitron Difraksiyonu MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 46

47 Pozitron ile Yeni Bir Bilim ve Teknoloji ChemPET, micropet nanopet Uygun parçalama ve iyonization Pozitronyum BEC, süperakışkan ve süperiletken Ps Pozitron Yokolma Spektroskopisi Pozitronla Fizik, Kimya, Biyoloji, Mühendislik, Tıp ve Eczacılık gibi Alanlarda Disiplinlerarası Yeni Bilimsel Metodoloji ve Teknolojik Uygulamalar New e+ üretim teknolojisi Yeni yoğun pozitron kaynakları, Yeni moderasyon teknikleri, Yeni tuzaklama ve depolama teknikleri Yeni taşıma teknikleri Gamma-lazer teknolojisi e+ and Ps Bileşikleri. Ps2, etc. e+, Ps bileşenleriyle enerji depolama MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 47

48 Pozitron un Keşfi Dmitri Skobeltsyn, 1923 lerde kozmik ışınları ölçerken pozitif elektron yük davranışlı parçacıkları gözlemlemiş fakat muamma olarak kalmıştır. Anderson 1.5 T manyetik alanda Wilson buhar odasını kullanarak 1932 de keşfetmiştir. (Nobel 1936) Odacığın üst kısmında iz, parçacığın aşağıdan girdiğini ve pozitif yüklü olduğunu göstermektedir. Bu izden parçacığın yükünün protonunkinden iki katından az (veya tam eşdeğer) ve kütlesinin elektron kütlesinin 20 katından az olduğu sonucuna varmıştır. Sonra radyoaktif 208 Tl gammalarıyla çift oluşumunu gözlemlemiştir. Carl David Anderson MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 48

49 Madde İçerisinde Pozitronyumun Ömrü p-ps ömrü madde ve vakumda 125 ps dir ve ortamdan etkilenmediği varsayılmaktadır. Termalize olmuş bazı pozitronlar serbest pozitron halinde yapıdaki elektronlarla yok olmaktadır. Ortalama ömür ns olup lokal elektron yoğunluğu ile ilişkilidir. Pick-off kap-yokol mekanizması, o-ps un pozitronu civardaki atomların elektronları kapıp iki foton yayınlayarak yok olur. Ömrü ise o-ps atomunun dalga fonksiyonu ile Ps atomunu çevreleyen ortamın elektronların dalga fonksiyonunun üst üste binmesi ile bulunur. O-Ps un ömrü, serbest hacim boşluklarının bilgilerini yansıtmaktadır. n ( r) ( r) ( r) ( r) dr L * * L L r cn r c dr 2 2 * pick off Ps Ps V MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 49

50 Arası Keşfedilen Parçacıklar ve daha niceleri MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 50

51 PAS ın Diğer Tekniklerle Kıyası 1 cm STM/AFM 10 STM/AFM OM TEM X-ışını Saçılması Mekanik 1% OM TEM X-ışını Saçılması Mekanik 10 1Å Pozitron Spektroskopi 1 ppm Pozitron Spektroskopi 1 Å Å Derinlik Derinlik PAS, atom skalasındaki kusurların boyut, konsantrasyon ve dağılımını verir MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 51

52 Pozitron Yokolma Ömür Spektroskopisi (PALS) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 52

53 Serbest Hacim Kesrinin Tuz Katkısına Göre Değişimi LiClO 4 T(K) f v (%) wt (%) ps h CI ( ) 3 f MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 53

54 Polistiren de o-ps Ömrünün Sıcaklıkla Değişimi MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 54

55 PU Hazırlama Polyisocyanate ve polyester-polyol 1.05:1 oranında karıştırılmıştır. Polyisocyanate OCN (CH 2 ) 6 NCO nın urea ve biuret formları üzerine baz alınmış oligomer: O OCN (CH 2 ) 6 NH C NH(CH2) 6 NCO urea Polyester-polyol OCN (CH 2 ) 6 N Aşağıdakilerin Karışımı ile Oluşan Oligomer O C NH(CH 2 ) 6 NCO C NH(CH 2 ) 6 NCO O biuret O CH 2 OH O O C OH + CH 3 CH 2 C CH 2 OH + HO C (CH 2 ) 4 C OH C OH O CH 2 OH Phthalic asit trimetilolpropane adipic asit MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 55

56 Li+ Tuz Katkılı PVdF-co-HFP de İletkenlik Boşluk İlişkisi Polimer-Tuz kompleksi: Li + tuz (LiClO 4 ve LiPF 6 ) ile PVdF-co-HFP (Poliviniliden Florür-co-Hekzaflorür) Tuz Katkısı : 1, 3, 5, 10, 15 ve 20% wt. LiClO 4 1, 3, 5% wt. LiPF 6. Sıcaklık Aralığı: 273 K K * İstanbul Ü. Kimya Müh. Öğr. Üyesi Hüseyin Deligöz ve Öğencisi Serpil Yılmaztürk tarafından sentezlenmiştir MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 56

57 o-ps ömrünün LiClO 4 Tuz Katkısına Göre Değişimi (ns) I 3 (%) T(K) wt (%) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 57

58 İletkenliğin LiClO 4 Tuz Katkısıyla Değişimi* (S/cm) a) f = 0.1 Hz b) f = 20 MHz 293K 313K 333K 353K 373K (S/cm) % weight fraction * İstanbul Ü. Fizik Öğr. Üyeleri Kemal Ulutaş ve Deniz Değer ve öğrencileri Mesut Yılmazoğlu tarafından ölçülmüştür MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 58

59 Logaritmik İletkenliğin Termo-Doluluk Fonksiyonuna Göre Farklı LiClO 4 Tuz Katkılarındaki Değişimi ln ( S / cm) 4 6 f=1khz 8 w=15% w=20% w=10% w=1% w=5% w=3% Termo-doluluk (Thermo-occupancy) fonksiyonu 1 fv 1 f 0.07 T v 3/2 Interrelationship Between Ionic Conductivity and Vacancy in Polymer Electrolytes, U. Yahsi, K. Ulutas, C. Tav, D. Deger, J. Polymer Science B: Polymer Physics, 46(9), (2008) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 59

60 DBAR/DBES MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 60