正电子理论计算及其在分析材料微结构中的应用

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1、中国科学技术大学博士学位论又正电子理论计算及其在分析材料微结构中的应用作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：黄世娟粒子物理与原子核物理叶邦角教授二。一五年五月六日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreePositrontheoreticalcalculationanditsapplicationtotheanalysisofthematerialmiCroStrUCtUreSAuthor’SName：speciality：Supervisor：Finishedtime

2、"ShijuanHuangParticleandNuclearPhysicsProf．BangjiaoYeMay6th，2015中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导帅指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和敛谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我1同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：童堕鳋签字日期：—业：丝：兰控中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之1，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有

3、关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。占≤开口保密(——年)作者签名．一董蝗蜡签字日期：勉匹：垃：理导师签名：7签字日期：丝压睾也目丝目摘要正电子作为电子的反粒子，除了电荷相反之外，其它与电子无异，也町以作为一种基本的探针，用于表征材料的电子结构。在过去的几十年，以其独特的优势，在凝聚态物理、医学等领域得到了广泛的应用，以正电子为探针的技术逐渐

4、成为一门新兴的学科一一正电子湮没谱学(PAS)。在正电子湮没技术中，直接实验测量数据的分析占据很重要的地位，甚至是绝对的地位。比如，正电子寿命谱测量的是正电子从产生到与电子湮没之间的时间问隔，也就是寿命，寿命的长短与缺陷的种类和尺寸有关。用常用的解谱软件，我们可以得到两寿命或者三寿命成分及其相应的浓度值，但是我们并不能直观得到我们最关心的信息，也就是材料中存在何种缺陷。这时，如果结合各种缺陷结构的正电子寿命的理论计算值分析，我们就可以断定材料中存在某种或某几种可能的缺陷，这对后面材料性能的分析至关重要。同样地，多普勒展宽谱和角关联技术可研究缺陷周围的电子结构信息，结

5、合理论计算，可以给出正电子主要与哪个元素的哪个壳层的电子发生湮没。此外，能量可变的单能的慢正电子束技术可以用来研究材料表面和界面处的缺陷特性，也可以用来研究材料不同深度处的缺陷分布。实验测得的足相应正电子能量的多普勒展宽谱的信息，虽然直观上可以看出缺陷浓度随正电子能量的变化，但不能体现出“层”的概念，而且单一能量的正电子并不是固定注入一定的深度并在那儿湮没，而是有一定的注入轮廓，并在某一深度处出现的概率最大，这个一定深度就是一定能量的正电子在材料中的平均注入深度。利用VEPFIT软件进一步拟合分析数据时，需要这个注入轮廓信息，它的准确性直接影响拟合结果的准确性。本文

6、工作的出发点就是采用最简单可靠的方式辅助分析正电子湮没技术测得的各种实验数据，然后将其应用在功能材料的微结构与物理特性的关联分析上。本博士论文取得的成果主要如下：(1)用最新的Geant4代码仔细地模拟了正电予的注入特性，模拟得到了能量范围在lkeV到50key的单能正电子正入射到不同晶体内的正电子背散射系数、注入轮廓和平均注入深度。与之前的实验结果比较，我们模拟的正电子背散射系数与它们在一定程度上符合很好，考虑到Geant4中没有植入具体的晶体结构信息，我们认为模拟精度可能与晶体的结构有关。在得到的合理的背散射系数的基础上，拟合得到了注入轮廓的调试参数，发现它们是

7、依赖于材料种类和注入的正电子能量的。同时，第一次计算了高分子聚合物的背散射系数和中间注入深度，我们的模拟结果和之前的实验结果符合得非常好。这说明用最新的Geant4软件T摘要模拟正电子的注入轮廓是简单而可行的，尤其，这对元素系统和多层系统的正电子注入轮廓的方便计算有重要意义。(2)采用中性原子叠加模型、赝势方法和全势方法处理正电子局域势能，有限差分方法自治求解正电子波函数，局域密度近似和广义梯度近似处理正电子电子关联势和增强因子，以体心立方结构的a—Fe、面心立方结构的Al和复式面心立方结构的Si三种单晶固体为例，分别计算了它们的正电子体寿命，计算值与相应的实验