Modeling momentum distributions of positron annihilation radiation in solids

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-09-21
Major/Subject
Computational materials physics
Laskennallinen materiaalifysiikka
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
49, [54]
Series
Dissertations of Laboratory of Physics, Helsinki University of Technology, 150
Abstract
Positron annihilation spectroscopy is a materials characterization method especially applicable for studying vacancy defects in solids. In typical crystal lattices positrons get trapped at vacancy-type defects. By measuring positron lifetimes and momentum distributions of positron annihilation radiation one obtains information about the open volumes and the chemical environments of the defects. Computational tools can be used in the analysis of positron annihilation experiments. Calculated lifetimes and momentum distributions of annihilating electron-positron pairs can be directly compared with experiment. Momentum spectra calculated for model defects can be used to determine, for example, characteristic effects of impurity atoms around vacancies. This information can be used when identifying the microscopic defect structures behind the measured spectra. In this thesis momentum distributions of annihilating electron-positron pairs are calculated using quantum-mechanical electronic-structure methods based on the so-called density-functional theory. A numerical implementation is created based on the so-called projector augmented-wave method which enables the construction of accurate valence electron wave functions for the calculation of momentum densities. When studying positrons localized at vacancy defects their ionic structures are determined taking into account also the forces on ions due to the localized positron. First the computational scheme is validated by comparing computational results with ones measured by Compton scattering and positron annihilation spectroscopies for well-characterized samples (defect-free samples annealed at high temperatures, electron-irradiated samples containing vacancies). The new methods are applied to the analysis of experimental positron data and resulting chemical identification of defects in different kinds of materials. Elemental (Si) and compound (GaN) semiconductors as well as metals and alloys (Al and Al-based alloys) are studied. An approach for quantitative chemical analysis of Al-based is justified using computations and the methods are also used to study the energetics of positron trapping in various solids and to show that the positron-induced lattice relaxations have an important role in the trapping process.

Positroniannihilaatiospektroskopia on materiaalien karakterisointimenetelmä, joka soveltuu erityisesti kiinteiden aineiden kidevirheiden tutkimukseen. Kidehilassa positroni loukkuuntuu vakanssityyppisiin virheisiin. Mittaamalla positronin elinaikoja ja annihilaatiosäteilyn liikemääräjakaumia saadaan tietoa hilavirheiden avoimista tilavuuksista ja kemiallisista ympäristöistä. Laskennalliset menetelmät ovat hyödyllisiä positroniannihilaatiokoetulosten analyysissä. Laskennallisia positronin elinaikoja ja annihiloituvien elektroni-positroniparien liikemääräjakaumia voidaan suoraan verrata kokeellisiin spektreihin. Mallirakenteille laskettujen liikemääräjakaumien avulla voidaan mm. selvittää vakanssia ympäröivien epäpuhtausatomeiden luonteenomainen signaali. Tätä tietoa voidaan käyttää mitatun signaalin aiheuttaneiden hilavirheiden mikroskooppisen rakenteen selvittämiseen. Tässä väitöskirjassa annihiloituvien elektroni-positroniparien liikemääräjakaumia mallinnetaan kvanttimekaniikkaan ja ns. tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvien elektronirakennelaskumenetelmien avulla. Uusi numeerinen toteutus perustuu ns. projector augmented-wave -menetelmään, joka mahdollistaa tarkkojen valenssielektroniaaltofunktioiden muodostamisen liikemääräjakaumien laskemista varten. Tutkittaessa vakanssivirheisiin loukkuuntuneita positronitiloja virheiden ionirakenne määritetään ottaen huomioon myös positronin lähinaapuri-ioneihin kohdistamat voimat. Mallinnusmenetelmän käyttökelpoisuus osoitetaan vertaamalla laskettuja tuloksia Compton-sirontakokeiden ja positroniannihilaatiomittausten tulosten kanssa hyvin karakterisoiduissa tapauksissa (virheettömät korkeassa lämpötilassa käsitellyt näytteet, vakansseja sisältävät elektronisäteilytetyt näytteet). Uutta laskentamenetelmää sovelletaan työssä useisiin eri materiaaleihin, erityisesti kokeellisen positronidatan analyysiin ja vakanssivirheiden kemialliseen tunnistukseen. Tutkitaan puolijohteita kuten Si ja GaN sekä metalleja ja erityisesti Al-pohjaisia metalliseoksia. Laskuja käyttäen myös osoitetaan mm. metalliseosten kemialliseen analyysiin käytetyn menetelmän käyttökelpoisuus, tutkitaan positronin loukkuuntumisen energetiikkaa eri materiaaleissa ja osoitetaan positronin aiheuttamien hilarelaksaatioiden olevan olennainen osa positronin loukkuuntumisprosessia.
Description
Supervising professor
Puska, Martti, Prof., Helsinki University of Technology, Laboratory of Physics, Finland
Thesis advisor
Puska, Martti, Prof., Helsinki University of Technology, Laboratory of Physics, Finland
Keywords
positron annihilation, electron momentum spectroscopies, density-functional theory, positroniannihilaatio, elektronin liikemääräspektroskopiat, tiheysfunktionaaliteoria
Other note
Parts
  • I. Makkonen, M. Hakala, and M. J. Puska, Calculation of valence electron momentum densities using the projector augmented-wave method, Journal of Physics and Chemistry of Solids 66, 1128-1135 (2005). © 2005 Elsevier Science. By permission. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpcs.2005.02.009
  • I. Makkonen, M. Hakala, and M. J. Puska, Modeling the momentum distributions of annihilating electron-positron pairs in solids, Physical Review B 73, 035103: 1-12 (2006). © 2006 American Physical Society. By permission. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.73.035103
  • M. Rummukainen, I. Makkonen, V. Ranki, M. J. Puska, K. Saarinen, and H.-J. L. Gossmann, Vacancy-impurity complexes in highly Sb-doped Si grown by molecular beam epitaxy, Physical Review Letters 94, 165501: 1-4 (2005). © 2005 American Physical Society. By permission. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.94.165501
  • S. Hautakangas, I. Makkonen, V. Ranki, M. J. Puska, K. Saarinen, X. Xu, and D. C. Look, Direct evidence of impurity decoration of Ga vacancies in GaN from positron annihilation spectroscopy, Physical Review B 73, 193301: 1-4 (2006). © 2006 American Physical Society. By permission. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.73.193301
  • A. Calloni, A. Dupasquier, R. Ferragut, P. Folegati, M. M. Iglesias, I. Makkonen, and M. J. Puska, Positron localization effects on the Doppler broadening of the annihilation line: Aluminum as a case study, Physical Review B 72, 054112: 1-6 (2005). © 2005 American Physical Society. By permission. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.72.054112
  • P. Folegati, I. Makkonen, R. Ferragut, and M. J. Puska, Analysis of electron-positron momentum spectra of metallic alloys as supported by first-principles calculations, Physical Review B 75, 054201: 1-10 (2007). © 2007 American Physical Society. By permission. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.75.054201
  • I. Makkonen and M. J. Puska, Energetics of positron states trapped at vacancies in solids, Physical Review B 76, 054119: 1-10 (2007). © 2007 American Physical Society. By permission. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.76.054119
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-009799