Uur Yahi ve Cumali TAV Marmara niversitesi Fen

Uğur Yahşi ve Cumali TAV Marmara Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü Kadıköy, İstanbul, Türkiye 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 1

Pozitron Tarihi 1896: Elektron’un keşfi (J. J. Thomson - corpuscles) 1928: P. A. M. Dirac tarafından antielektron (pozitron) önerildi, Kuantum Elektrodinamik Teorisi (1933 Nobel) 1932: Pozitron, C. D. Anderson tarafından kozmik ışınların Wilson Buhar Odasında tespit edildi. (1936 Nobel) 1946: M. Deutch pozitronyum atomunu (pozitron ve elektron bağ hali) gazların içerisinde pozitron yokolmasıyla saptadı. 1960: Katıhal Fiziği: Pozitronyum boşluk kusurları içerisinde saptandı; Örgü-Fermi yüzey kafeslerinde yerelleşememektedir. 1970: Nükleer Tıp: Pozitron Emisyon Tomografisi (PET) 1975: Yüzey Bilimi: Pozitron, negatif iş fonksiyonuna sahip olmasından derinlemesine boşluk kusur profili çıkarılmaktadır. 1980 -Günümüze: Pozitron kimyasında, malzeme kusurları ve yüzey probu olarak çalışılmaktadır. 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ P. A. M. Dirac 1902 -1984 Carl David Anderson 1905 -1991 2

Pozitron (β+) Oluşumu Na 22 Bozunum Şeması 3 ps Kısa ömürlü β+kaynağı C 11 (20'), N 13 (10'), O 15 (2') F 18 (110'), Rb 82 (1. 27') 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 3

Yayınlanma Olasılığı Pozitron Enerji Spektrumu Yayınlanan Pozitronun Enerjisi (ke. V) 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 4

Na 22 Enerji Spektrumu 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 5

Bir Yapıda Pozitron Pick-off yokolması (kap-yokol) 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 6

Pozitronyum Atomu (Ps) Pozitronyum Hidrojen Atomu Pozitron Proton Elektron e- 01. 06. 2016 Orthopozitronyum (o-Ps) Paralel Spin → Üçlü Hal e+ e e+ e- e+ e+ Parapozitronyum (p-Ps) Zıt Spin → Tekli Hal e- MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 7

Pozitron/Pozitronyum Yokolma Spektroskopisi (PAS) Teknikleri Ø Pozitron Yokolma Ömür Spektroskopisi (PALS) (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy) Moleküller arası serbest hacmin ve boşlukların ölçülmesi Ø Yokolma Enerji Spektroskopisinin Doppler Genleşmesi (DBES) Doppler Genişleşmiş Yokolma Spektroskopisi (DBAR) (Doppler Broadening of Annihilation Energy Spectroscopy) Yarıiletken malzemelerde kimyasal kusurlar Ø Annihilasyon Radyasyonunun Açısal Korelasyonu (ACAR) (Angular Correlation of Annihilation Radiation) Fermi yüzeyi v Değişken Tek-enerjili Pozitron Demeti-Yavaş Pozitron Demeti (Variable Mono-energetic Positron Beam-Slow Positron Beam) Yüzey ve arayüzeyler 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 8

Tipik Pozitron/Ps Ömür Aralıkları 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 9

14. 07. 2014 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 10

PALS Deney Düzeneği 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 11

Ps Ömür Spektrumu 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 12

Kapkaç (Pick-off) Yokolma Hızı Serbest Hacim Boşluk Yarıçapı ile o-Ps kapkaç yokolma arasında nicel ilişki: 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 13

3 ve Serbest Hacim Arasındaki İlişki Moleküler katılar ve zeolit için o-Ps ömrü ve serbest hacim arasındaki korelasyon eğrisi. R= R 0 –R=1. 656 Å 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 14

Pozitron Verileriyle Teoriler Arasındaki İlişki 1969’da Simha ve Somcynsky (SS) polimerin istatistiksel termodinamiği teorisinde serbest hacmin bir ölçüsü boşluk kesri fonksiyonunu, deneysel P-V-T verilerinden hesaplamışlardır (1969). Fiziksel olarak bu nicelik: Boşluk sayı yoğunluğu ( ): Birim hacimdeki boşlukların sayısı: Ortalama serbest hacim boşluk boyutu: Kobayashi’nin (Kobayashi, et al. , 1989) PVAc’ler üzerindeki pozitron deneyleri 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 15

Polistiren’de o-Ps Ömrünün Sıcaklıkla Değişimi Z. Yu, U. Yahsi, …. , J. Poly. Sci. Poly. Phys. , 32, 2637, (1994) 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 16

Polistiren’de Boşluk Kesrinin Sıcaklıkla Değişimi 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 17

PU’da o-Ps Ömrü ve Şiddeti T(K) 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 18

01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 339 K 273 K 214 K PU’da Serbest Hacim Kesri 19

o-Ps ömrünün Sıcaklıkla Değişimi 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 20

Boşluk Kesrinin Sıcaklıkla Değişimi 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 21

Doppler Genleşmiş Pozitron Yokolma Radyasyonu (DBAR) 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 22

Doppler Spektrumu Örgü Kusurlarına Duyarlıdır 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 23

S ve W Parametreleri Serbest Hacim Kusurlarında: S parametresi W parametresi Parametrelerin Duyarlılığı: S parametresi-Boşluklara W parametresi-Kimyasal Kusurlara 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 24

S parametresinin Li. Cl. O 4 Tuz Katkısına Göre Değişimi 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 25

Yavaş Pozitron Demet Sistemleri 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 26

Pozitronların Moderasyonu W(110) Ne Moderator Moderasyon etkinliği W’ye göre 20 kat fazla yani %1’e yakın bir etkinliği olduğu Greaves ve Surko gösterilmiştir. R. G. Greaves, C. M. Surko, Canadian Journal of Physics, 1996, 74. Moderasyon Etkinliği: 10 -4 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 27

Marmara Üniversitesinde Yavaş Pozitron Demet Sistemi 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 28

Yavaş Pozitron Demet Sistemi Neon Moderatör T=7. 0 -8. 4 K Pozitron Demet çapı: < 3 mm (B’ye bağlı olarak) Pozitron akısı: 8. 106/san (50 m. Ci 22 Na) Moderator bozunum oranı: Minimum toplam<20 gün 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 29

Yavaş Pozitron Demet Sistemi 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 30

Yavaş Pozitron Demet Sistemi Moderatörden çıkan pozitronların enerji dağılımı: Dar enerji aralığı yaklaşık 1. 7 e. V (FWHM) (1. 4 -2. 5 e. V arası) 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ Moderatörden çıkan demetin zamanla değişimi. Günlük bozunum % 4 31

SONUÇLAR üPALS tekniğiyle orto-pozitron ömrü ve şiddeti ile yapısal boşluk kesri bulunup maddenin fiziksel ve kimyasal özellikleri ile ilişkilendirilebilir. üDBAR veya DBES tekniğiyle yapısal boşluk kusurları ve kimyasal kusurları incelenebilir. üYavaş Pozitron Sistemiyle yüzeylerin derinlik kusur profili çıkarılabilir. 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 32

Pozitron Yüzey Etkileşimi 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 33

Katılarda Termalizasyon • Geniş bir pozitron yayınım spektrumu • Katılardan derin implantasyon • İnce katmanlarda kullanımı yoktur • Moderasyonla monoenerjik pozitron üretilebilir Pozitronların ortalama (maksimum) nüfuz derinliği Si: 50µm (770µm) Ga. As: 22µm (330µm) Pb. S: 15µm (220µm) 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 34

İon İmplantasyonuyla Oluşan Si’daki Kusurlar İyon implantasyonu en önemli katkılama teknolojisidir. Bu ise kusurların oluşumuna neden olur ve Pozitron Demet Sistemiyle Ölçülebilir. (Eichler et al. , 1997) 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 35

İon İmplantasyonuyla Oluşan Si’daki Kusurlar 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 36

Deneysel Pozitron Verileri ile Teorik Yüzey Yoğunluk Profillerinin Karşılaştırılması PMMA (75 kg) 01. 06. 2016 PS (190 kg) MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 37

Annihilasyon Radyasyonunun Açısal Korelasyonu (ACAR) 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 38

Martin Luther University of Halle Yavaş Pozitron Demet Sistemi Prof. Dr. Reinhard Krause-Rehberg 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 39

UMKC’de Yavaş Pozitron Demet Sistemi Prof. Dr. Jerry Jean 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 40

Pozitronların Nüfuz Olasılığı • Derinlik çözünürlüğü implatasyon derinliğinin fonksiyonudur. • Pozitron enerjisi arttıkça derinlik çözünürlüğü sınırlanmaktadır. Makhov 1961 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 41

ACAR Düzeneği 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 42

Bakırın Fermi Yüzeyinin 2 D ACAR 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 43

Trento Positron Annihilasyon Set-up 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 44

Trento-München Pozitron Mikroskop 500 e. V – 25 ke. V spot = 2 μm 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 45

Trento Positron Annihilasyon Set-up Auger Spektroskopi Düşük Enerji Pozitron Difraksiyonu 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 46

Pozitron ile Yeni Bir Bilim ve Teknoloji Chem. PET, micro. PET nano. PET Uygun parçalama ve iyonization Pozitronyum BEC, süperakışkan ve süperiletken Ps 01. 06. 2016 Pozitron Yokolma Spektroskopisi Gamma-lazer teknolojisi Pozitronla Fizik, Kimya, Biyoloji, Mühendislik, Tıp ve Eczacılık gibi Alanlarda Disiplinlerarası Yeni Bilimsel Metodoloji ve Teknolojik Uygulamalar e+ and Ps Bileşikleri. Ps 2, etc. e+, Ps bileşenleriyle enerji depolama New e+ üretim teknolojisi • Yeni yoğun pozitron kaynakları, ·Yeni moderasyon teknikleri, ·Yeni tuzaklama ve depolama teknikleri ·Yeni taşıma teknikleri MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 47

Pozitron’un Keşfi §Dmitri Skobeltsyn, 1923’lerde kozmik ışınları ölçerken pozitif elektron yük davranışlı parçacıkları gözlemlemiş fakat muamma olarak kalmıştır. §Anderson 1. 5 T manyetik alanda Wilson buhar odasını kullanarak 1932’de keşfetmiştir. (Nobel 1936) Carl David Anderson 1905 -1991 Odacığın üst kısmında iz, parçacığın aşağıdan girdiğini ve pozitif yüklü olduğunu göstermektedir. Bu izden parçacığın yükünün protonunkinden iki katından az (veya tam eşdeğer) ve kütlesinin elektron kütlesinin 20 katından az olduğu sonucuna varmıştır. Sonra radyoaktif 208 Tl gammalarıyla çift oluşumunu gözlemlemiştir. 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 48

Madde İçerisinde Pozitronyumun Ömrü p-Ps ömrü madde ve vakumda 125 ps’dir ve ortamdan etkilenmediği varsayılmaktadır. Termalize olmuş bazı pozitronlar “serbest pozitron” halinde yapıdaki elektronlarla yok olmaktadır. Ortalama ömür 0. 1 -0. 9 ns olup lokal elektron yoğunluğu ile ilişkilidir. “Pick-off” kap-yokol mekanizması, o-Ps’un pozitronu civardaki atomların elektronları kapıp iki foton yayınlayarak yok olur. Ömrü ise o-Ps atomunun dalga fonksiyonu ile Ps atomunu çevreleyen ortamın elektronların dalga fonksiyonunun üste binmesi ile bulunur. O-Ps’un ömrü, serbest hacim boşluklarının bilgilerini yansıtmaktadır. 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 49

1898 – 1964 Arası Keşfedilen Parçacıklar ve daha niceleri 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 50

PAS’ın Diğer Tekniklerle Kıyası STM/AFM 10 Kusur Boyutu 1000 100 OM 10 1 TEM 1000 100 X-ışını Saçılması Mekanik 10 Pozitron Spektroskopi 1Å 1Å 10 1000 1 10 1000 Derinlik Kusur Yoğunluğu STM/AFM 1 cm 1% Mekanik OM TEM X-ışını Saçılması 1000 100 Pozitron Spektroskopi 1 ppm 1Å 10 1000 1 10 1000 Derinlik PAS, atom skalasındaki kusurların boyut, konsantrasyon ve dağılımını verir. 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 51

Pozitron Yokolma Ömür Spektroskopisi (PALS) 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 52

Serbest Hacim Kesrinin Tuz Katkısına Göre Değişimi Li. Cl. O 4 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 53

Polistiren’de o-Ps Ömrünün Sıcaklıkla Değişimi 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 54

PU Hazırlama Polyisocyanate ve polyester-polyol 1. 05: 1 oranında karıştırılmıştır. Polyisocyanate OCN― (CH 2)6 NCO’nın urea ve biuret formları üzerine baz alınmış oligomer: O O ║ OCN― (CH 2)6 NH ― C― NH(CH 2)6 NCO OCN― (CH 2)6 N urea Polyester-polyol ║ C― NH(CH 2)6 NCO ║ O biuret Aşağıdakilerin Karışımı ile Oluşan Oligomer O C OH O Phthalic asit 01. 06. 2016 CH 2 OH + CH 3─CH 2─C─CH 2 OH O O + HO─C─(CH 2)4─C─OH CH 2 OH trimetilolpropane MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ adipic asit 55

Li+ Tuz Katkılı PVd. F-co-HFP’de İletkenlik Boşluk İlişkisi v Polimer-Tuz kompleksi: Li+ tuz (Li. Cl. O 4 ve Li. PF 6) ile PVd. F-co-HFP (Poliviniliden Florür-co-Hekzaflorür) v Tuz Katkısı : 1, 3, 5, 10, 15 ve 20% wt. Li. Cl. O 4 1, 3, 5% wt. Li. PF 6. v Sıcaklık Aralığı: 273 K - 373 K *İstanbul Ü. Kimya Müh. Öğr. Üyesi Hüseyin Deligöz ve Öğencisi Serpil Yılmaztürk tarafından sentezlenmiştir. 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 56

o-Ps ömrünün Li. Cl. O 4 Tuz Katkısına Göre Değişimi 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 57

İletkenliğin Li. Cl. O 4 Tuz Katkısıyla Değişimi* *İstanbul Ü. Fizik Öğr. Üyeleri Kemal Ulutaş ve Deniz Değer ve öğrencileri Mesut Yılmazoğlu tarafından ölçülmüştür. 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 58

Logaritmik İletkenliğin Termo-Doluluk Fonksiyonuna Göre Farklı Li. Cl. O 4 Tuz Katkılarındaki Değişimi f=1 k. Hz w=20% w=15% w=10% w=1% w=5% w=3% Termo-doluluk (Thermo-occupancy) fonksiyonu “Interrelationship Between Ionic Conductivity and Vacancy in Polymer Electrolytes, ” U. Yahsi, K. Ulutas, C. Tav, D. Deger, J. Polymer Science B: Polymer Physics, 46(9), 2249 -2254 (2008). 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 59

DBAR/DBES 01. 06. 2016 MÜ FEF FİZİK BÖLÜMÜ 60