Optinen transienttipositronispektroskopia: mittausmoodien kehittäminen ja testaus luonnontimanteilla

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2012

Department

Teknillisen fysiikan laitos

Major/Subject

Fysiikka

Mcode

Tfy-3

Degree programme

Language

fi

Pages

v + 46

Series

Abstract

Diamond is, due to its properties, a promising material for many applications. For now, enough good quality diamonds are not available. Methods to synthesize diamond s are, however, progressing all the time. Thus, understanding the structural defects in diamond is all the time more important in order to be able to optimize the growth process. Positron annihilation spectroscopy (PAS) is a powerful method to study neutral and negatively charged vacancy type defects in semiconductors. One of its benefits is that it is nondestructive. When combined with illuminating the sample PAS enables us to study optically active vacancy type defects. Optical transient positron spectroscopy goes still a little further, since it enables us to study optically active defects as function of time. The sample is illuminated periodically and number of lifetime spectra typical to PAS is collected. Each of these represents a certain time slice of the illumination cycle thus enabling us to monitor the sample's state during each of these intervals. Common brown colour in diamonds is caused by vacancy clusters of tens of missing atoms. These clusters are also optically active. Brown diamond was illuminated by blue and UV leds for the photons to excite electrons to vacancy clusters. Based to the lifetime spectra, the fraction of negative vacancies was calculated for each time interval. The excitations in the sample can be described by a simple differential equation, whose solution was fitted to the experimental data. As a result of the fit a value of recombination crossection for the vacancy cluster was obtained that is of the same order as one obtained previously via the same model in slightly differet setup. Since the measurement described above is time consuming, it would be good to be able to obtain the same results via a different route. At the moment a measurement series with an approach like that of DLTS seems promising, but more development is still needed.

Timantti on ominaisuuksiensa puolesta lupaava materiaali moniin sovelluksiin, mutta nykyisellään riittävästi riittävän hyvälaatuista timanttia ei ole saatavilla. Timantin syntetisointimenetelmät kuitenkin kehittyvät kaiken aikaa, joten sen rakennevirheiden ymmärtämisestä tulee entistä tärkeämpää sopivien kasvatusolosuhteiden optimoimiseksi. Positroniannihilaatiospektroskopia on tehokas menetelmä neutraalien ja negatiivisesti varautuneiden vakanssivirheiden tutkimiseen puolijohteissa. Eräs sen hyvistä puolista on se, ettei se tuhoa tutkittavaa näytettä. Kun menetelmään yhdistetään näytteen valaiseminen päästään tutkimaan optisesti aktiivisia vakanssivirheitä. Optinen transienttipositronispektroskopia menee tästä vielä hieman pidemmälle, sillä se mahdollistaa optisesti aktiivisten virheiden tarkastelun ajan funktiona. Siinä näytettä valaistaan periodisesti ja kerätään syklisen mittauksen avulla joukko positronispektroskopialle tyypillisiä elinaikaspektrejä. Näistä jokainen kuvaa tiettyä aikaväliä näytteen valaisusyklissä, jolloin saadaan käsitys näytteen tilasta kullakin aikavälillä. Timanteilla yleinen ruskea väri johtuu useamman kymmenen atomin kokoisista vakanssiklustereista, jotka ovat myös optisesti aktiivisia. Työssä valaistiin ruskeaa timanttia sinisillä ja UV-ledeillä, jolloin fotonit virittivät elektroneja vakanssiklustereihin. Elinaikaspektrien perusteella laskettiin negatiivisten vakanssiklusterien osuus kullakin aikavälillä. Näytteessä tapahtuvia virittymisiä voidaan kuvata yksinkertaisella differentiaaliyhtälömallilla, jonka ratkaisu sovitettiin kokeelliseen dataan. Sovituksen tuloksena saatiin jokseenkin samaa luokkaa oleva arvo vakanssiklusterin rekombinaatiovuorovaikutusalalle kuin aiemmin on saatu soveltamalla samaa mallia hieman eri tilanteessa. Koska yllä kuvattu mittaus on hidas toteuttaa, on syytä yrittää kehittää toisenlainen mittaussarja, josta saadaan samat tulokset. Tällä hetkellä lähestymistavaltaan DLTS:ää muistuttava mittaussarja vaikuttaa lupaavalta, mutta sen kehittelyä täytyy vielä jatkaa.

Description

Supervisor

Puska, Martti

Thesis advisor

Tuomisto, Filip

Keywords

positron spectroscopy, positronispektroskopia, diamond, timantti, vacancy cluster, vakanssiklusteri, optically active, optisesti aktiivinen

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122858938

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI