GaN(0001)表面における ポジトロニウム生成

固体表面からのポジトロニウム放出の研究では、主に金属や絶縁体が調べられて来たが、半導体に関する研究例は極めて少ない。半導体には、励起型（間接・直接励起）、バンドギャップ（100meV～10eV）、伝導型（n型、p型、半絶縁性）、そして、強いスピン軌道相互作用の有無によって様々な違いがある。半導体には、金属や絶縁体と同じように、負のポジトロニウム仕事関数を持つものが多くある。これらのことから、半導体からのポジトロニウム放出過程を調べることは、意味のあることと言える。そこで、我々は、2017年頃から、半導体からのポジトロニウム放出過程の研究を開始した。これまで、間接半導体であるシリコン（Si）と炭化ケイ素（SiC）からのポジトロニウム放出についての研究結果を報告してきた。今回は、直接励起型でワイドギャップを持つ窒化ガリウム（GaN）について得られた結果を報告する。第58回アイソトープ・放射線研究発表

Positronium formation at Si surfaces

Positronium formation at Si(111) and Si(001) surfaces has been investigated by changing the doping level systematically over the range 300–1000 K. The temperature dependence of the positronium fraction varied with the doping condition, and there were practically no differences between the two surface orientations. In heavily doped n-type Si (n>1E+18 cm−3), the positronium fraction (I_Ps) increased above 700Kand reached more than 95% at 1000 K. In undoped and lightly doped Si (n, p 1E18 cm−3), I_Ps increased in two steps: one at 500–600 K and one above 700 K. Overall, the positronium fraction increased with the amount of n-type doping. These phenomena were found to be dominated by two kinds of positronium with energies of 0.6–1.5 eV and 0.1–0.2 eV, which were attributed to the work-function mechanism and the surface-positron-mediated process, respectively, with contributions from conduction electrons. The positron work function was estimated to be positive. This agrees with first-principles calculation. The positive positron work function implies that the formation of excitonic electron-positron bound states begins in the bulk subsurface region and transits to the final positronium state in the vacuum

半導体表面におけるポジトロニウム生成

数年前より、物質からのポジトロニウム放出の研究を開始した。その発端は、表面ポジトロニウムによる分析技術を確立する上で、ポジトロニウム放出のメカニズムを詳しく知る必要性が生じたからである。当初は金属を主な研究ターゲットにしていたが、研究が進む中で、半導体表面からのポジトロニウム放出現象が、十分に解明されていないことに気づいた。いつしか「分析手法のための研究」という初期の動機を忘れて、基礎的な興味で研究を進めるに至っている。これまでの研究では、主に金属と絶縁体からのポジトロニウム放出が調べられて来た。金属の内部では、自由電子遮蔽のためにポジトロニウムは安定に存在しない。このため、金属からのポジトロニウム放出は、表面にある陽電子と電子が、ある時間スケールで、真空のポジトロニウムに遷移するメカニズムとして捉えられている。絶縁体の内部では、自由電子遮蔽は無視可能であり、誘電遮蔽もかなり弱い。そのため、ワニエ型励起子に擬える非局在のポジトロニウムが生成する。そして、この非局在ポジトロニウムが、そのまま真空に放出されることが示唆されている。こられの事情から、金属・絶縁体からのポジトロニウム放出は明示的に区別されるべきものであり、前者に伴うエネルギー利得は形成ポテンシャル、後者のそれは仕事関数という用語で呼ばれている。半導体では、絶縁体同様に自由電子遮蔽は小さいものの、誘電遮蔽はそこそこの効果があり、絶縁体と金属のちょうど中間的な状態となっている。このため、ポジトロニウム生成過程も、絶縁体と金属の中間的であることが考えられる。さらに、半導体では、ドーピングによる伝導型の制御が可能であり、バンドギャップは絶縁体と比してはるかに小さく(ナローギャップ(～0.1eV)らワイドギャップ(～5eV)に分類され)バンド間遷移を容易に引き起こすことができ、伝導体底がガンマ点にある直接遷移型と有限の波数位置にある間接遷移型があり、さらにスピン軌道相互作用の影響を受けて分裂するバンドも存在し得る。上述した半導体の諸性質に基づいてポジトロニウム放出現象を理解しようという試みは実は皆無であるため、それ自体が研究対象として意味をなすと言える。そしてその理解が、ポジトロニウムを利用する基礎物理研究や分析技術の開発に対して、何かしらの影響を与えることもあるかも知れない。これまで、本研究会、アイソトープ研究会、国際会議などで、半導体SiとSiCからのポジトロニウム放出を実験と理論解析に基づき論じてきた。今回は、個別具体的な話をせず、一旦、上述した側面を再度概観し、これまでのデータに加えて最新のGaNからのポジトロニウム放出の結果を交えて、この方面の研究がどういう様相になっているかについて大掴みに話をしたいと思っている。京都大学複合原子力科学研究所専門研究会 「陽電子科学とその理工学への応用

Positronium emission from semiconductors

Positronium is spontaneously emitted from solids, when the formation potential or the work function is negative. So far, positronium emission from solids have been investigated mainly with metals and insulators. The number research on semiconductors is rather limited. It is intriguing to study positronium emission from semiconductors, because semiconductor has intermediate features between metal and insulator, for instance, the band gap and free carrier density. In this presentation, we will report our research about positronium emission from Si, SiC and GaN(0001) surfaces mainly through the positronium time-of-flight spectroscopy. The theoretical positronium formation potentials were also obtained by first-principles calculation. The positronium energy spectra for Al(111) and W(001) rise around the calculated positronium formation potentials. This means that positrons pick up electrons from the top of the occupied state (the Fermi level) as assumed in the calculation of formation potential. Contrarily, the positronium energy spectra for SiC(0001) and Si(111) rise significantly above the calculated positronium formation potentials. Moreover, the spectrum shapes are different from those for Al(111) and W(001). In the calculation of formation potential, the electrons at the top of the valence band are assumed to be picked up by positrons. Therefore, the above experimental results imply that electrons located sufficiently above the valence band top are picked up by positrons. The maximum energies observed for SiC(0001) and Si(111) are separated from their positronium formation potentials approximately by the band gap energies (3.2 eV for SiC, 1.1 eV for Si). Thus, we propose that the conduction electrons also participate in the positronium formation in SiC and Si. In the presentation, we also report the results on GaN and more thorough analyses of positronium energy spectra based on the Monte Carlo simulation.12.5th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry (PPC 12.5