Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at
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Methoden<br />
M25: Positronenannihil<strong>at</strong>ion<br />
M25: Positronenannihil<strong>at</strong>ion<br />
Die Positronenannihil<strong>at</strong>ions-Spektroskopie ist<br />
eine <strong>der</strong> wenigen spezifischen Messmethoden<br />
zur zerstörungsfreien Untersuchung von Festkörpern<br />
auf <strong>at</strong>omarem Niveau. Das Positron kann als<br />
hochmobile Sonde in einen Festkörper eingebracht<br />
werden, und kann dort in Gebieten mit verringerter<br />
Elektronendichte (Leerstellen, Grenzflächen etc.)<br />
eingefangen werden. Schlussendlich zerstrahlt es<br />
mit Elektronen. Durch Messung und Analyse <strong>der</strong><br />
Positronenlebensdauer und <strong>der</strong> Energie <strong>der</strong> Zerstrahlungsquanten<br />
können Inform<strong>at</strong>ionen über die<br />
lokale Elektronendichte am Zerstrahlungsort und<br />
über die chemische N<strong>at</strong>ur <strong>der</strong> umgebenden Atome<br />
gewonnen werden.<br />
Das Positron ist das Antiteilchen des Elektrons,<br />
es wird bei einem radioaktiven β-Zerfall emittiert.<br />
Dringt das Positron in einen Festkörper ein, wird<br />
es innerhalb weniger Pikosekunden abgebremst<br />
(thermalisiert). Bei <strong>der</strong> anschließenden Diffusion<br />
im defektfreien Festkörper wird es nach einer gewissen<br />
Zeit mit einem Elektron zerstrahlen. Falls<br />
im Festkörper Defekte wie z.B. Leerstellen o<strong>der</strong><br />
freie Volumina vorhanden sind, kann das Positron<br />
in diesen eingefangen werden und zerstrahlt dann<br />
dort mit einer für den Defekt spezifischen verlängerten<br />
Lebensdauer (s. Abb. 1). Aus <strong>der</strong> Größe <strong>der</strong><br />
Lebensdauer kann also auf die Größe des Defektes<br />
o<strong>der</strong> auf die Größe des freien Volumens geschlossen<br />
werden.<br />
Im Wesentlichen findet die Zerstrahlung mit<br />
den nur schwach gebundenen Valenzelektronen<br />
st<strong>at</strong>t. Ein rel<strong>at</strong>iv kleiner Anteil von einigen Prozenten<br />
rührt von <strong>der</strong> Annihil<strong>at</strong>ion mit Rumpfelektronen<br />
umgeben<strong>der</strong> Atome her. Durch Messung <strong>der</strong> koinzidenten<br />
Dopplerverbreiterung <strong>der</strong> Energie <strong>der</strong><br />
bei <strong>der</strong> Annihil<strong>at</strong>ion auftretenden γ-Quanten sowie<br />
einer genaue Analyse <strong>der</strong> erhaltenen Spektren kann<br />
zwischen den beiden Annihil<strong>at</strong>ionsarten unterschieden<br />
werden. Es zeigt sich, dass <strong>der</strong> Bereich hoher<br />
Energien, <strong>der</strong> charakteristisch für die Annihil<strong>at</strong>ion<br />
mit Rumpfelektronen ist, sich von Element zu Element<br />
unterscheidet und die spezifische Analyse <strong>der</strong><br />
chemischen Umgebung des Ortes <strong>der</strong> Zerstrahlung<br />
ermöglicht.<br />
Abbildung 1:<br />
Einfang und Annihil<strong>at</strong>ion eines Positrons<br />
in einem Kristalldefekt (Leerstelle).<br />
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