Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy Methodology and Application to Perovskite Oxide ...

285 Pages·2017·3.38 MB·English

University of Dundee
DOCTOR OF PHILOSOPHY
Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy Methodology and Application to
Perovskite Oxide Materials
Kanda, Gurmeet
Award date:
2015
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Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy
Methodology and Application to Perovskite
Oxide Materials
By
Gurmeet S. Kanda
June 2015
AthesissubmittedforthedegreeofDoctorofPhilosophytotheUniversityofDundee
SchoolofEngineering,PhysicsandMathematics

Contents
ListofFigures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
ListofTables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
ListofAbbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Acknowledgements xiii
Declarations xv
Abstract xvii
1 Introduction 1
1.1 PositronSources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 PairProduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Radionuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 PositronInteractionswithMatter . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Thermalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 PositronImplantation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3 PositronDiffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.4 Positronium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.5 Positrontrappingintovacancydefects . . . . . . . . . . 7
1.3 StandardTrappingModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Onedefectstandardtrappingmodel . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 SaturationTrapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 PositronTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.1 AngularCorrelationofAnnihilationRadiation . . . . . 15
1.4.2 DopplerBroadeningSpectroscopy . . . . . . . . . . . . 16
1.4.3 PositronAnnihilationLifetimeSpectroscopy . . . . . . 17
1.4.4 AgeMomentumCorrelation . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.5 VariableEnergyPositronBeams . . . . . . . . . . . . . 20
1.5 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 ExperimentalMethods 23
2.1 ThePALSspectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1 Scintillatorcrystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.2 PhotomultiplierTube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.3 ConstantFractionDiscriminator . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.4 ExternalDelayUnit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.5 Time-to-AmplitudeConverter . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.6 Analogue-to-DigitalConverter . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.7 MultichannelAnalyser . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
iii
iv CONTENTS
2.2 PALSSpectrometerOptimization . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1 RoomTemperaturesystem . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.2 VariableTemperaturesystem . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3 Positronlifetimespectrumfitting . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.1 PATFITandPALSfit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.2 MELT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3 PALSofpolycrystallinemetals 45
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 ExperimentalMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3 ResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.1 As-receivedpolycrystallinepuremetalsamples . . . . . 56
3.3.2 Initialannealingofpolycrystallinepuremetalsamples . 59
3.3.3 EffectofAnnealingTemperatureonCuandAl . . . . . 62
3.3.4 EffectofCooldownrateonCuandAl . . . . . . . . . 64
3.3.5 FurtherexperimentsonAluminium . . . . . . . . . . . 67
3.3.6 AnnealingstudiesonNi,NbandAg . . . . . . . . . . . 72
3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4 SourceCorrection 81
4.1 PreviousStudiesofSourceCorrectionLifetimes . . . . . . . . . 82
4.2 SourceCorrectionModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 SimulationStudyonSourceCorrection . . . . . . . . . . . . . 91
4.3.1 Onelifetimematerials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3.2 Twolifetimematerials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4 ExperimentalStudyonSourceCorrection . . . . . . . . . . . . 105
4.4.1 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.4.2 NiobiumResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . 106
4.4.3 NickelResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.5 EvaluationoffittingPALSspectrausingMELTv4.0 . . . . . . 121
4.5.1 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.5.2 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.6 VariableenergyPALSofKapton . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.7 ConcludingRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5 PALSstudiesofPerovskiteOxides 131
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.1.1 Perovskitestructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.1.2 DefectsandDoping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.1.3 Leadtitanate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.1.4 Strontiumtitanate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.1.5 Previouslyreportedpositronlifetimes . . . . . . . . . . 137
v
5.2 PositronlifetimestudiesofLeadTitanate . . . . . . . . . . . . 141
5.2.1 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2.2 ResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3 PositronLifetimestudiesofStrontiumTitanate . . . . . . . . . 149
5.3.1 VE-PALSMBEStrontiumTitanate . . . . . . . . . . . 151
5.3.2 PALSNb-dopedStrontiumTitanate . . . . . . . . . . . 167
5.3.3 VE-PALSNb-dopedStrontiumTitanate . . . . . . . . . 177
5.3.4 PALSFe-dopedStrontiumTitanate . . . . . . . . . . . 180
5.3.5 VE-PALSFe-dopedStrontiumTitanate . . . . . . . . . 183
5.3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.4 ConcludingRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
References 201
AppendixA AnnealingExperiments 235
A.1 PositronLifetimeresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
A.2 Annealingprofiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
AppendixB ModelEquation 247
AppendixC MATLABCODE 251
C.1 InstrumentResolutionFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
C.2 Sourcefoilintensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
C.3 GeneratecontrolfileforPositronFit(newversion) . . . . . . . . 256
C.3.1 BatchoperationofPositronFit . . . . . . . . . . . . . . 260
C.4 ReadoutputfilefromPositronFit(newversion) . . . . . . . . . 261
vi
List of Figures
1.1 Decaytransitionsfor22Na . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 PositronimplantationprofileforSilicon . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Positronmodelpotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Temperaturedependencefordifferenttraps . . . . . . . . . . . 10
1.5 STMsaturationtrapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 DopplerBroadeningSpectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7 AMOCreliefforbenzene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 Schematicofafast-fastpositronlifetimespectrometer . . . . . . 23
2.2 ExperimentalPALSspectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 InstrumentResponseFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 CFDBipolarpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5 PHAspectraforvariousHVsettingsforPMTs . . . . . . . . . 30
2.6 CFDspectrafor22NaCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.7 RisetimesforH2431-50PMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.8 IRFvsWalkVoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.9 CFDsvsruntimeandIRF-Startbranch . . . . . . . . . . . . . 35
2.10 PMT-crystalconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.11 ClosedCyclecoolingsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1 Annealingprofilesforpolycrystallinemetals . . . . . . . . . . . 59
3.2 Annealingprofileforhighpuritypolycrystallinealuminium . . . 60
3.3 Cooldownrates-Crashcool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4 Cooldownrates-Slowcool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.5 AnnealingprofilesforAl#4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.6 PositronlifetimesforUoBAluminium(Pair1) . . . . . . . . . 71
3.7 AnnealingtemperatureprofileNi . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.8 TemperatureprofileNb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.9 TemperatureprofileAg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1 IntensityofKaptonsourcecorrection . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2 Sourcecorrectionresultsforonelifetimedirectdeposit . . . . . 95
4.3 IRFsusedforexperimentalsourcecorrectionstudy . . . . . . . 110
4.4 ObtainedsourcecorrectiontermsfromNi-DD-04 . . . . . . . . 113
4.5 MELTlifetimedistributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.6 ImplantationprofileKapton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.7 VE-PALSspectrumfittingofKapton . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.8 VE-PALSKapton-positronlifetimes . . . . . . . . . . . . . . 127
5.1 Structureofacubicperovskiteoxide(ABO ) . . . . . . . . . . 133
3
vii
viii
5.2 PALSRE-PbTiO -averagelifetimes . . . . . . . . . . . . . . . 144
3
5.3 PALSRE-PbTiO -positronlifetimes . . . . . . . . . . . . . . 145
3
5.4 PALSRE-PbTiO -lifetimevsintensity . . . . . . . . . . . . . 147
3
5.5 PositronImplantationprofileSrTiO . . . . . . . . . . . . . . . 152
3
5.6 VE-PALSMBESrTiO 3Lfits-averagelifetime . . . . . . . . 153
3
5.7 VE-PALSMBESrTiO (Sr-rich)-3L . . . . . . . . . . . . . . 155
3
5.8 VE-PALSMBESrTiO (Ti-rich)-3L . . . . . . . . . . . . . . 156
3
5.9 VE-PALSMBESrTiO (La-doped)-3L . . . . . . . . . . . . . 158
3
5.10 VE-PALSMBESrTiO (Stoichiometric)-3L . . . . . . . . . . 159
3
5.11 VE-PALSMBESrTiO (Sr-rich)-4L . . . . . . . . . . . . . . 161
3
5.12 VE-PALSMBESrTiO (Ti-rich)-4L . . . . . . . . . . . . . . 162
3
5.13 VE-PALSMBESrTiO (La-doped)-4L . . . . . . . . . . . . . 163
3
5.14 VE-PALSMBESrTiO (Stoichiometric)-4L . . . . . . . . . . 164
3
5.15 VT-PALSNb-dopedSrTiO 2Lfits-averagelifetime . . . . . . 170
3
5.16 VT-PALSNb-dopedSrTiO 2Lfits-positronlifetimes . . . . . 171
3
5.17 VT-PALSNb-dopedSrTiO 3Lfits-averagelifetimes . . . . . . 174
3
5.18 VT-PALSNb-dopedSrTiO 3Lfits-positronlifetimes . . . . . 175
3
5.19 VE-PALSNbdopedSrTiO -averagelifetime . . . . . . . . . . 178
3
5.20 VE-PALSNbdopedSrTiO -positronlifetime . . . . . . . . . 179
3
5.21 VT-PALSFe-dopedSrTiO -averagelifetime . . . . . . . . . . 181
3
5.22 VT-PALSFe-dopedSrTiO -positronlifetimes . . . . . . . . . 182
3
5.23 VE-PALSFedopedSrTiO 3Lfits-averagelifetime(1) . . . . 184
3
5.24 VE-PALSFedopedSrTiO 3Lfits-averagelifetime(2) . . . . 185
3
5.25 VE-PALSFe-dopedSrTiO 3L-positronlifetimes . . . . . . . 186
3
5.26 VE-PALSFe-dopedSrTiO 4Lfits-positronlifetimes . . . . . 188
3
A.1 AnnealingprofilesforCu#1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
A.2 AnnealingprofilesforCu#2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
A.3 AnnealingprofilesforCu#3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
A.4 AnnealingprofilesforCu#4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
A.5 AnnealingprofilesforAl#1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
A.6 AnnealingprofilesforAl#2and#3 . . . . . . . . . . . . . . . 242
A.7 AnnealingprofilesforAl#4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
A.8 AnnealingprofilesforNi#1and#2 . . . . . . . . . . . . . . . 243
A.9 AnnealingprofilesforNb#1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
A.10 AnnealingprofilesforAg#1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
C.1 ExampleofIRFusingmcode(1) . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
List of Tables
1.1 Listofvariousradioactivepositronsources . . . . . . . . . . . 3
1.2 PositronbulkandvacancylifetimesforCu,Al,PbandBi. . . . 8
2.1 Propertiesofvariousscintillatorcrystals . . . . . . . . . . . . . 26
3.1 Reportedpositronlifetimesinmetals . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2 Monovacancytrappingcoefficientsforvariousmaterials . . . . 50
3.3 Obtained shape parameters from ResolutionFit using a simu-
latedspectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4 ObtainedlifetimevaluesfromResolutionFitusingAl-DD-04 . . 53
3.5 ObtainedlifetimevaluesfromPositronFitusingAl-DD-04 . . . 54
3.6 Highpuritypolycrystallinemetalsusedforannealing . . . . . . 56
3.7 Positronlifetimespriortoannealing . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.8 Positronlifetimespostannealing . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.9 Positron lifetimes in Cu and Al after annealing at various tem-
peratures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.10 PositronlifetimesforCuandAl-Cooldownrate . . . . . . . . 66
3.11 PositronlifetimesforAl#4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.12 UoBairannealedaluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.13 LifetimeresultsforannealedNi,NbandAg . . . . . . . . . . . 76
4.1 Absorptioncoefficientsforcommonsourcefoils . . . . . . . . . 88
4.2 InstrumentResolutionFunctionforsimulatedspectra . . . . . . 91
4.3 PositronlifetimecomponenttermsusedforSimulationstudy . . 92
4.4 Onelifetimesimulations-DirectDeposit . . . . . . . . . . . . 94
4.5 Onelifetimesimulations-foils(I) . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.6 Onelifetimesimulations-foils(II) . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.7 Onelifetimesimulations-Kapton . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.8 Twolifetimesimulations-directdeposit . . . . . . . . . . . . . 100
4.9 IterationRangesusedinPATFIT . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.10 Twolifetimesimulations-foils(I) . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.11 Twolifetimesimulations-foils(II) . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.12 Twolifetimesimulations-foils(III) . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.13 Niobiumdirectdepositresults(I) . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.14 Niobiumdirectdepositresults(II) . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.15 ObtainedshapeparametersfromResolutionFit . . . . . . . . . 109
4.16 NickeldirectdepositwithAl-DD-04IRF . . . . . . . . . . . . 111
4.17 NickeldirectdepositwithNi-DD-04IRF . . . . . . . . . . . . 112
4.18 EffectofusingdifferentIRF:set1 . . . . . . . . . . . . . . . . 114
ix