作為反物質(zhì)世界的一顆璀璨明珠,正電子(電子的反粒子),因其對電子異常靈敏的特性而被用于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)。在Anderson發(fā)現(xiàn)正電子后,以正電子物理為基礎(chǔ)的正電子湮沒譜學(xué)逐漸建立起來。正電子湮沒譜學(xué)技術(shù)主要包括三大基本技術(shù):正電子湮沒壽命譜(PALS)、多普勒展寬譜(DBS)、湮沒輻射角關(guān)聯(lián)(ACAR)�；谡娮愉螞]壽命譜和多普勒展寬譜,近30年來又發(fā)展了正電子壽命-動量關(guān)聯(lián)(AMOC)技術(shù)。譜儀技術(shù)與材料微結(jié)構(gòu)表征是正電子湮沒譜學(xué)實驗領(lǐng)域的兩條主線,二者相輔相成,共同發(fā)展。譜儀技術(shù)的發(fā)展將正電子湮沒譜學(xué)擴展到更多的材料表征中;新材料的表征又對譜儀技術(shù)提出新的要求,推動譜儀技術(shù)向著性能更高的方向發(fā)展。本文立足于譜儀技術(shù)和材料表征這兩條線,從設(shè)計搭建高效率的壽命-動量關(guān)聯(lián)譜儀、發(fā)展新型數(shù)字化壽命譜儀和正電子湮沒譜學(xué)在稀磁半導(dǎo)體中的應(yīng)用三個方面開展研究工作。主要研究內(nèi)容如下:(1)在正電子壽命-動量關(guān)聯(lián)技術(shù)方面,我們設(shè)計并搭建了一套高效率的γγΔEγ符合型AMOC譜儀。在探測器選型、幾何配置、信號符合方式以及數(shù)據(jù)采集等方面進行了全面優(yōu)化。選擇井型閃爍體探測1.275 MeV的γ射線,以提高其探測效率。Geant4模擬確定閃爍體的尺寸及整體的探測器配置。信號符合上,采用軟件符合代替硬件符合。在數(shù)據(jù)采集上,使用PCI9820采集卡特有的雙緩沖連續(xù)采集模式,提高采集效率。最終搭建了一套計數(shù)率高達180 cps,時間分辨280 ps的AMOC譜儀,計數(shù)率比傳統(tǒng)的提高了一倍以上。(2)在正電子湮沒壽命譜方面,我們利用數(shù)字示波器和閃爍探測器搭建了一套數(shù)字化正電子湮沒壽命譜儀。我們研究了 BaF2-H6610探測器的符合時間分辨。通過調(diào)節(jié)多個參數(shù):探測器高壓、示波器采樣率以及恒比定時系數(shù)等,優(yōu)化了探測器的時間響應(yīng),獲得了非常好的符合時間分辨:對于0.511 MeV湮沒γ射線和60Co級聯(lián)輻射γ射線分別為162 ps和108 ps。在此基礎(chǔ)上,我們開發(fā)了一套數(shù)字化正電子湮沒壽命譜儀,時間分辨約為130ps,性能上優(yōu)于國際上大多數(shù)的數(shù)字化壽命譜儀。(3)在正電子湮沒譜學(xué)的應(yīng)用方面,我們將慢正電子束多普勒展寬譜應(yīng)用于AlN稀磁半導(dǎo)體的缺陷表征。通過離子注入的方式制備了 C摻雜的AlN薄膜(AlN:C)。磁性結(jié)果表明AlN:C薄膜具有室溫鐵磁性。通過XRD、拉曼光譜、XPS以及DBS實驗,發(fā)現(xiàn)AlN:C薄膜中存在Al空位相關(guān)缺陷。同時對AlN:C的缺陷結(jié)構(gòu)進行第一性原理計算,發(fā)現(xiàn)間隙C原子和Al缺陷的復(fù)合體(Ci-VAl)具有最低的形成能,因而,揭示了 AlN:C薄膜中的鐵磁性主要源于Ci-VAl。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O572.322
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 正電子的基本性質(zhì)
        1.1.1 正電子的預(yù)測與發(fā)現(xiàn)
        1.1.2 正電子譜學(xué)的發(fā)展
        1.1.3 正電子的基本物理屬性
    1.2 正電子湮沒譜學(xué)技術(shù)簡介
        1.2.1 正電子湮沒譜學(xué)基本原理
        1.2.2 正電子湮沒譜學(xué)基本實驗技術(shù)
        1.2.3 慢正電子束
        1.2.4 正電子湮沒譜學(xué)的優(yōu)勢
    1.3 總結(jié)與本文的研究重點
第2章 高效率正電子壽命-動量關(guān)聯(lián)譜儀的研制
    2.1 AMOC研究進展
+γΔE_γ符合型AMOC譜儀'>        2.1.1 β⁺γΔE_γ符合型AMOC譜儀
γ符合型AMOC譜儀'>        2.1.2 γγΔE_γ符合型AMOC譜儀
    2.2 AMOC譜儀的探測器預(yù)研
        2.2.1 HPGe探測器
        2.2.2 閃爍探測器
    2.3 AMOC譜儀的設(shè)計
        2.3.1 Geant4簡介
        2.3.2 探測器的幾何配置比較
        2.3.3 閃爍體的尺寸與品質(zhì)因子關(guān)系的模擬
    2.4 AMOC譜儀的硬件組成
        2.4.1 電子學(xué)與邏輯判選
        2.4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
    2.5 AMOC譜儀的調(diào)試
        2.5.1 壽命譜部分的調(diào)試
        2.5.2 能譜部分的調(diào)試
        2.5.3 AMOC譜的重建及譜儀性能
    2.6 本章小結(jié)
第3章 高時間分辨正電子湮沒壽命譜儀的研制
    3.1 選題背景
    3.2 實驗裝置與分析方法
        3.2.1 實驗裝置
        3.2.2 分析方法
    3.3 實驗結(jié)果與討論
        3.3.1 符合時間分辨
        3.3.2 正電子湮沒壽命譜
    3.4 本章小結(jié)
第4章 C離子注入的AlN薄膜缺陷與磁性研究
    4.1 選題背景
    4.2 實驗與計算方法
        4.2.1 樣品制備與處理
        4.2.2 SRIM模擬
        4.2.3 樣品的表征
        4.2.4 第一性原理計算
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 XRD實驗
        4.3.2 拉曼光譜實驗
        4.3.3 XPS實驗
        4.3.4 透射光譜實驗
        4.3.5 多普勒展寬譜實驗
        4.3.6 磁性實驗
        4.3.7 第一性原理計算
    4.4 本章小結(jié)
第5章 總結(jié)與展望
    5.1 論文總結(jié)
        5.1.1 高效率AMOC譜儀的研制
        5.1.2 高時間分辨PAL譜儀的研制
        5.1.3 C離子注入的AlN薄膜缺陷與磁性研究
    5.2 論文創(chuàng)新點
    5.3 展望
參考文獻
附錄A 數(shù)據(jù)采集程序源代碼
致謝
在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果

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本文編號：2867023