Muões como sondas microscópicas em sólidos Helena V. Alberto, R.C. Vilão, J. M. Gil CFisUC, Departamento De Física, Universidade de Coimbra Portugal

Espectroscopia de muão positivo - SR – uma técnica bem estabelecida para estudar hidrogénio isolado, H O hidrogénio é inevitavelmente incorporado nos semicondutores durante a produção do material, intencionalmente ou não. Afeta as propriedades eletrónicas do material mesmo em quantidades residuais Pode actuar como impureza ou pela interação com outras impurezas ou defeitos

No entanto, o hidrogénio isolado é difícil de estudar Causas: Difusão Formação de complexos com outros defeitos/impurezas Concentrações muito baixas não permitem o estudo com técnicas convencionais

Muónio como um modelo para o hidrogénio isolado A maior parte da informação sobre o hidrogénio isolado provém do estudo do muónio . Comporta-se como um isótopo leve do hidrogénio É instável : τµ~ 2.2 µs estados neutros, metastáveis podem ser observados na escala de µs estados e configurações de Mu0, Mu+ Mu- semelhantes aos de H0, H+ H- Introduz níveis dadores e aceitadores no gap semelhantes aos do hidrogénio. H : Mu = 1 : 1/9 The positions of the donor and acceptor levels of isolated H in the band gap and, therefore, the H(+/-) occupancy level, determine which charge state will dominate for different positions of the Fermi level, and similarly for muonium. The acceptor and donor levels for muonium in Si and Ge and the Mu(+/-) occupancy level The positions of the levels for isolated H determined by experiment give a very similar picture. For Si, the experimental H(+/-) occupancy level lies in the upper half of the band gap. Therefore, the H+ charge state will dominate in Si that is intrinsic (low doping or elevated temperature) with its Fermi level at mid gap.20 For Ge, the experimental H(+/-) occupancy level lies below midgap.Therefore, the H- charge state will be more important in intrinsic Ge than in Si.

A técnica de espectroscopia de muão positivo

Mu0BC Mu0T Sinais de µSR num campo magnético externo, transversal Estados Mu+ e Mu- Precessão do muão com a Frquência de Larmor estados Mu0 Precessão com frequências caraterísticas, que contêm informação sobre a configuração do estado Família do Si, Ge (e III-V ) Dois estados Mu0 possíveis : Mu0BC Mu0T Mu-, Mu0 and Mu+. In an external magnetic field, bothMu- and Mu+ precess at the muon Larmor frequency. The corresponding precessing signal is referred as the diamagnetic signal. Configuração de aceitador Configuração de dador

Estados de dador pouco profundos nos semicondutores II-VI : a primeira observação foi feita pela técnica de mSR

TiO2 Há casos (raros) em que é possível comparar H/Mu : mSR ENDOR AT Brant et al., J. App. Phys. 110, 053714 (2011) RC Vilão et al., Phys. Rev. B 92, 081202(R) (2015) Consistente com (ENDOR× 3.183) A1 = 0.616 MHz A2 = - 0.401 MHz A1 = 1.96 MHz A2 = - 1.28 MHz

Difusão de muão e passivação de defeitos

Formação de muónio CdTe, CdS and Si HV Alberto et al., Phys. Rev. B 81, 245205 (2010) Left: Difference between the expected and the observed diamagnetic fraction (i.e., the fraction of Mu+ and/or Mu- states) as a function of average implantation depth for the three different junctions and the CIGS film. The full curves in the plots are the expected function if the cause of the effect is assumed to be a square well, weighted with the muon stopping distributions. Right: Square wells considered in the calculation of the full curves at left. HfO2 RBL Vieira, J Phys Conf Series 551, 012048 (2014)

A probabilidade de formação dos diferentes estados de muónio é sensível à presença de defeitos estruturais

Resumo O hidrogénio é uma impureza relevante nos semicondutores O muão é um pseudo-isótopo leve do H A técnica de muões dá informação local sobre configurações eletrónicas de Mu/H. As posições dos níveis no gap para H isolado podem ser determinadas A interação com outras impurezas e defeitos pode ser estudada A probabilidade de formação de muónio contém informação sobre defeitos estruturais.