Study of thin films and mesoporous materials by means of Positron Annihilation Spectroscopy for applied and fundamental physics

Thin films of hybrid solar cells and metal oxide semiconductors -IGZO in particular– and homogeneous PMMA polymers have been studied at the Positron Laboratory (L-NESS centre, Politecnico di Milano, Polo Territoriale di Como). A slow energy positron beam and a positron lifetime spectrometer have been employed for these studies. The positron spectroscopy information have been correlated with electrical and optical properties of the materials. The chemical composition and the morphology of voids and porosities in hybrid solar cells and thin film metal oxide semiconductors have been studied, and a strong correlation between positronium fraction, S-parameter and the electrical properties of these materials has been found. In PMMA polymers, free volume measurements have shown that the optical properties of the material depend on the presence of monomer residual fraction and even slight changes in the dimensions and concentration of free volumes. Positrons have been also applied to the study of positron to positronium converters in reflection geometry for the AEgIS (Antimatter Experiment: gravity Interferometry, Spectroscopy) experiment at CERN, which is aimed at measuring the gravitational acceleration of antihydrogen. It has been shown that Silica Aerogel and MCM-41 emit a high yield of cold positronium in vacuum and therefore are good candidates as sources for the AEgIS experiment. Moreover the properties of Aerogel 85 have been used to simulate a cold positronium yield in vacuum using micrometric silica thin films in transmission geometry. According to simulation results, the use of transmission geometry is very promising. Simulation results will be used as indicators for the design of thin film silica positron to positronium converters. In conclusion, besides acknowledging that the AEgIS experiment is ready to produce antihydrogen in order to measure antigravity, it has been shown that the positron annihilation techniques are suitable for the analysis of the composition, porosities and voids of contemporary thin film based devices and allow disclosing new sets of information on them. Moreover, in fundamental antimatter physics experiments, the use of micrometric mesoporous silica membranes in transmission geometry will remarkably increase efficiency in the production of cold positronium.

Presso il laboratorio Positroni (L-NESS, Politecnico di Milano, Polo Territoriale di Como) sono state studiate proprietà di film sottili di celle solari ibride, di ossidi metallici semiconduttori - IGZO in particolare - e di polimeri omogenei di PMMA tramite l'utilizzo di tecniche di spettroscopia positronica. Un fascio di positroni lenti a energia variabile e uno spettrometro di tempo di vita sono stati impiegati a tale scopo. Le informazioni ottenute tramite spettroscopia positronica sono state correlate con proprietà elettriche e ottiche di questi materiali. La composizione chimica e la morfologia dei vuoti e delle porosità nelle celle solari ibride e nei film sottili di ossidi metallici semiconduttori è stata studiata e si è individuata una intensa correlazione tra la frazione di positronio, il parametro S e le proprietà elettriche di questi materiali. Nei polimeri PMMA, le misurazioni dei volumi liberi hanno mostrato che le proprietà ottiche del materiali dipendono dalla frazione di monomero residua e da cambiamenti, anche minimi, nelle dimensioni e nella concentrazione dei volumi liberi. I positroni sono stati altresì impiegati nello studio di convertitori da positroni a positronio in geometria di riflessione ai fini dell’esperimento AEgIS (Antimatter Experiment:gravity Interferometry Spectroscopy) presso il CERN (Ginevra, Svizzera), il cui scopo è misurare l’accelerazione gravitazionale dell’anti-idrogeno. È stato dimostrato che i materiali Aerogel 85 e MCM-41 emettono una notevole produzione di positronio freddo in vuoto e sono pertanto ottimi candidati quali sorgenti per l’esperimento AEgIS. Inoltre, le proprietà dell’ Aerogel 85 sono state utilizzate per simulare la produzione di positronio freddo in vuoto impiegando film micrometrici di silica in geometria di trasmissione. In base ai risultati della simulazione, il ricorso alla geometria in trasmissione pare molto promettente. I risultati della simulazione verranno usati come indicatori per la progettazione e la realizzazione di film sottili di silica quali convertitori da positroni a positronio.