Uğur Yahşi ve Cumali TAV Marmara Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü Kadıköy, İstanbul, Türkiye 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 1
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. 1980-Günümüze: Pozitron kimyasında, malzeme kusurları ve yüzey probu olarak çalışılmaktadır. P.A.M. Dirac 1902-1984 Carl David Anderson 1905-1991 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 2
Na Ne e ( t 2.6 yıl) 22 22* 11 10 3ps Kısa ömürlü β + kaynağı C 11 (20'), N 13 (10'), O 15 (2') F 18 (110'), Rb 82 (1.27') 11 11 6 5 Pozitron (β + ) Oluşumu 22 10 Ne (1.2746 MeV ) 1 2 3 ps 2+ 0+ 1 2 The Decay Scheme of 22 Na Na 22 Bozunum Şeması E 2 10 Ne22 C B e ( t 20.3 dak.) +, EC 3+ 2.60 y 11 Na22 + 90% 1.2746 EC 10% + 0.05% 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 3
Yayınlanma Olasılığı Pozitron Enerji Spektrumu Yayınlanan Pozitronun Enerjisi (kev) 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 4
Na22 Enerji Spektrumu 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 5
Bir Yapıda Pozitron Pick-off yokolması (kap-yokol) 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 6
Pozitronyum Atomu (Ps) Hidrojen Atomu Pozitronyum Proton Pozitron Elektron Elektron Parapozitronyum (p-ps) Zıt Spin Tekli Hal p Ps 0.1251 ns e + e - e + e - 1 S 0 3 1 S 1 e + e + e - e - Orthopozitronyum (o-ps) Paralel Spin Üçlü Hal o Ps 141.8 ns 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 7
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 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 8
Tipik Pozitron/Ps Ömür Aralıkları 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 9
14.07.2014 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 10
PALS Deney Düzeneği 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 11
Ps Ömür Spektrumu N(t) λit Iiλie 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 12
pick off Kapkaç (Pick-off) Yokolma Hızı 1 R 1 2 R 2 4 2 1- sin 3 R0 2 R R 0 1 2 ns r r dr 2 Ps Serbest Hacim Boşluk Yarıçapı ile o-ps kapkaç yokolma arasında nicel ilişki: f 3 3 4 R 3 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 13
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 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 14
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 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 15
Polistiren de o-ps Ömrünün Sıcaklıkla Değişimi Z. Yu, U. Yahsi,., J. Poly. Sci. Poly. Phys., 32, 2637, (1994) 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 16
Polistiren de Boşluk Kesrinin Sıcaklıkla Değişimi h CI ( ) ps 3 f 3 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 17
PU da o-ps Ömrü ve Şiddeti ( ns) 3 I 3 T(K) 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 18
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 3 90.3 K 214.1 K 0 50 100 150 200 250 300 350 400 T(K) 273.6 K 339.4 K 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 19
o-ps ömrünün Sıcaklıkla Değişimi 4.0 280 3 (ns) 3.2 2.4 240 200 160 f ( ) 1.6 270 300 330 360 T(K) LiClO4 0% LiClO4 1% LiClO4 10% LiClO4 20% 120 80 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 20
Boşluk Kesrinin Sıcaklıkla Değişimi 1.0 0.8 LiClO4 0% LiClO4 1% LiClO4 10% LiClO4 20% h (%) 0.6 0.4 0.2 280 315 350 385 T (K) 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 21
Doppler Genleşmiş Pozitron Yokolma Radyasyonu (DBAR) 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 22
Doppler Spektrumu Örgü Kusurlarına Duyarlıdır 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 23
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 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 24
S parametresinin LiClO 4 Tuz Katkısına Göre Değişimi 0,50 3.6 S 0,49 3 (ns) 3.0 0,48 0,47 273 K 333 K 373 K 0 5 10 15 20 wt (%) 2.4 1.8 0 5 10 15 20 wt (%) T=293K T=333K T=373K 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 25
Yavaş Pozitron Demet Sistemleri 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 26
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: 10-4 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 27
Marmara Üniversitesinde Yavaş Pozitron Demet Sistemi 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 28
Yavaş Pozitron Demet Sistemi Neon Moderatör T=7.0-8.4 K Pozitron Demet çapı: < 3mm (B ye bağlı olarak) Pozitron akısı: 8.10 6 /san (50 mci 22 Na) Moderator bozunum oranı: Minimum toplam<20 gün 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 29
Yavaş Pozitron Demet Sistemi 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 30
Yavaş Pozitron Demet Sistemi Moderatörden çıkan pozitronların enerji dağılımı: Dar enerji aralığı yaklaşık 1.7 ev (FWHM) (1.4-2.5 ev arası) Moderatörden çıkan demetin zamanla değişimi. Günlük bozunum % 4 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 31
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. 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 32
Pozitron Yüzey Etkileşimi 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 33
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) 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 34
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) 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 35
İon İmplantasyonuyla Oluşan Si daki Kusurlar 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 36
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 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 37
Annihilasyon Radyasyonunun Açısal Korelasyonu (ACAR) 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 38
Martin Luther University of Halle Yavaş Pozitron Demet Sistemi Prof. Dr. Reinhard Krause-Rehberg 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 39
UMKC de Yavaş Pozitron Demet Sistemi Prof. Dr. Jerry Jean 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 40
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 1961 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 41
ACAR Düzeneği 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 42
Bakırın Fermi Yüzeyinin 2D ACAR 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 43
Trento Positron Annihilasyon Set-up 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 44
Trento-München Pozitron Mikroskop 500 ev 25 kev spot = 2 μm 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 45
Trento Positron Annihilasyon Set-up Auger Spektroskopi Düşük Enerji Pozitron Difraksiyonu 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 46
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 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 47
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 1905-1991 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 48
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 0.1-0.9 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 0 0 0 Ps Ps V 0 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 49
1898 1964 Arası Keşfedilen Parçacıklar ve daha niceleri 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 50
PAS ın Diğer Tekniklerle Kıyası 1 cm STM/AFM 10 STM/AFM 1000 100 10 1 1000 100 OM TEM X-ışını Saçılması Mekanik 1% 1000 100 OM TEM X-ışını Saçılması Mekanik 10 1Å Pozitron Spektroskopi 1 ppm Pozitron Spektroskopi 1 Å 10 100 1000 1 10 100 1000 1Å 10 100 1000 1 10 100 1000 Derinlik Derinlik PAS, atom skalasındaki kusurların boyut, konsantrasyon ve dağılımını verir. 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 51
Pozitron Yokolma Ömür Spektroskopisi (PALS) 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 52
Serbest Hacim Kesrinin Tuz Katkısına Göre Değişimi 1.2 1.0 LiClO 4 T(K) 293 333 373 f v (%) 0.8 0.6 0.4 0 5 10 15 20 wt (%) ps h CI ( ) 3 f 3 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 53
Polistiren de o-ps Ömrünün Sıcaklıkla Değişimi 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 54
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 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 55
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 - 373 K * İstanbul Ü. Kimya Müh. Öğr. Üyesi Hüseyin Deligöz ve Öğencisi Serpil Yılmaztürk tarafından sentezlenmiştir. 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 56
o-ps ömrünün LiClO 4 Tuz Katkısına Göre Değişimi 4.0 3.6 3 (ns) 3.2 2.8 I 3 (%) 2.4 2.0 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 T(K) 293 333 373 0 5 10 15 20 wt (%) 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 57
İletkenliğin LiClO 4 Tuz Katkısıyla Değişimi* (S/cm) 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 10-11 10-1 a) f = 0.1 Hz b) f = 20 MHz 293K 313K 333K 353K 373K (S/cm) 10-2 10-3 10-4 0 5 10 15 20 % weight fraction * İstanbul Ü. Fizik Öğr. Üyeleri Kemal Ulutaş ve Deniz Değer ve öğrencileri Mesut Yılmazoğlu tarafından ölçülmüştür. 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 58
Logaritmik İletkenliğin Termo-Doluluk Fonksiyonuna Göre Farklı LiClO 4 Tuz Katkılarındaki Değişimi ln ( S / cm) 4 6 f=1khz 8 w=15% w=20% 10 12 14 16 w=10% w=1% w=5% w=3% 0.0014 0.0016 0.0018 0.0020 0.0022 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), 2249-2254 (2008). 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 59
DBAR/DBES 01.06.2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 60