Doppler Genişleme Spektroskopisi (DBS)

Doppler Genişleme Spektroskopisi (DBS), malzemelerdeki elektronik yapı ve atomik kusurların incelenmesinde kullanılan bir pozitron tekniğidir. Pozitron Yokolma Ömür Spektroskopisi (PALS) ile tamamlayıcı nitelikte olup, pozitron–elektron yokolması sırasında yayılan gama ışınlarının enerji dağılımını inceler.

PALS yöntemi bize pozitronun ne kadar süre yaşadığını gösterirken, DBS yöntemi nerede ve nasıl yok olduğunu, yani elektronların momentum dağılımını ortaya çıkarır. Bu sayede, DBS özellikle boşluk tipi kusurların, safsızlık atomlarının ve kimyasal çevrelerin belirlenmesinde güçlü bir araçtır.

---

Temel İlke

Bir pozitron bir elektronla karşılaştığında yok olur ve genellikle 511 keV enerjili iki gama ışını yayılır. Ancak, elektronlar atom içinde hareket hâlinde olduklarından, bu gama fotonlarının enerjileri tam olarak 511 keV değildir. Elektronun momentumuna bağlı olarak bu enerjiler çok küçük miktarlarda kayar – biri biraz daha yüksek, diğeri biraz daha düşük enerjiye sahip olur.

İşte bu küçük Doppler kayması, yok olan elektronun momentumunu gösterir. 511 keV civarındaki bu enerji genişlemesini (yani “Doppler genişlemesini”) hassas biçimde ölçerek, malzeme içindeki elektron yoğunluğu ve kusur yapısı hakkında ayrıntılı bilgi elde edilir.

---

Deney Düzeneği

Tipik bir DBS sistemi şu bileşenlerden oluşur:

1. Pozitron kaynağı (genellikle Sodyum-22 izotopu),

2. Yüksek çözünürlüklü gama dedektörü,

3. Çok kanallı analizör (MCA).

Pozitron kaynağı ince bir numune üzerine veya iki numune arasına yerleştirilir. Kaynaktan çıkan pozitronlar numuneye girer, termalleşir ve bir elektronla yok olur.
Yokolma sonucunda yayılan gama ışınlarının enerjisi, yüksek hassasiyetli bir dedektör (genellikle yüksek saflıkta germanyum – HPGe dedektör) ile ölçülür. Bu sistem, 511 keV civarında 1 keV’den daha küçük enerji farklarını çözebilecek kadar hassastır.

---

Enerji Spektrumu ve S–W Parametreleri

DBS ölçümünde elde edilen enerji spektrumu, 511 keV merkezli dar bir tepe biçimindedir. Bu tepenin şekli, pozitronun yok olduğu ortam hakkında bilgi taşır.

• S-parametresi (Shape parameter – Şekil parametresi):
  511 keV tepesinin merkez kısmındaki sayımların oranıdır.
  Yüksek S değeri, düşük momentumlu valans elektronları ile gerçekleşen yokolmalara işaret eder. Bu durum genellikle boşluk veya kusur bölgelerinde görülür.

• W-parametresi (Wing parameter – Kanat parametresi):
  Tepe eğrisinin dış (kanat) kısımlarındaki sayımları temsil eder.
  Yüksek W değeri, çekirdek elektronları ile olan yokolmalara, yani yüksek momentumlu elektronlara karşılık gelir.

S ve W parametreleri birlikte kullanılarak oluşturulan S–W korelasyon grafiği, farklı kusur türlerini ve kimyasal ortamları ayırt etmeyi sağlar. Her malzeme veya kusur tipi kendine özgü bir S–W imzası verir.

---

Değişken Enerjili Demetlerle Derinlik Profillemesi

Gelişmiş DBS sistemlerinde, pozitronların malzeme içine giriş enerjisi birkaç yüz eV’den onlarca keV’ye kadar ayarlanabilir.

• Düşük enerjiler, yüzey ve yüzeye yakın bölgeleri araştırır.

• Yüksek enerjiler ise mikrometre ölçeğinde daha derin tabakalara ulaşır.

Bu sayede DBS, film, kaplama, arayüzey ve yarıiletken bağlantıları gibi çok katmanlı sistemlerde derinliğe bağlı kusur profilini yıkımsız (non-destructive) biçimde çıkarabilir.

---

Verilerin Yorumlanması

• Yüksek S / Düşük W: Geniş hacimli boşluklar veya düşük yoğunluklu bölgeler (vakanslar, boşluklar, polimer serbest hacimleri).

• Düşük S / Yüksek W: Yoğun bölgeler veya ağır atomların yakınları (çekirdek elektronlarının baskın olduğu bölgeler).

• S–W doğrusal ilişkisi: İki farklı yokolma bölgesinin (örneğin, “kusur + kütle”) karışımı anlamına gelir.

PALS ve DBS birlikte kullanıldığında, malzemenin kusur yapısı boyut + kimyasal çevre olarak bütüncül biçimde analiz edilebilir:
PALS kusurun boyutunu, DBS ise elektronik doğasını ortaya koyar.

---

Özetle

Doppler Genişleme Spektroskopisi, pozitron–elektron yokolma hattındaki 511 keV gama tepesinin genişlemesini inceleyerek malzemenin atomik düzeydeki elektronik parmak izini ortaya çıkarır.

Bu yöntem, pozitonların boşluklarda mı, yoğun bölgelerde mi, yoksa belirli atom türlerinin çevresinde mi yok olduğunu belirler.

Yüksek hassasiyet, derinlik çözünürlüğü ve yıkımsız analiz kabiliyeti sayesinde DBS; malzeme bilimi, yarıiletken fiziği, kaplama teknolojileri ve arayüzey çalışmaları için vazgeçilmez bir karakterizasyon tekniğidir.