Hostname: page-component-6766d58669-7cz98 Total loading time: 0 Render date: 2026-05-20T02:25:03.084Z Has data issue: false hasContentIssue false

Vacancies in HF-doped and in Irradiated Ice by Positron Annihilation Techniques

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

M. Eldrup
Affiliation:
Chemistry Department, Risø National Laboratory, 4000 Roskilde, Denmark
O. E. Mogensen
Affiliation:
Chemistry Department, Risø National Laboratory, 4000 Roskilde, Denmark
J. H. Bilgram
Affiliation:
Laboratorium für Festkörperphysik, Eidg. Technische Hochschule Zürich, CH-8049 Zürich, Switzerland
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Positron annihilation techniques, which are specifically sensitive to vacancy-type defects have been used to study the effect on ice of irradiation and HF doping. Main conclusions are that immobile water-molecule vacancies can be created at low temperatures by either irradiation or HF doping. Upon heating, the vacancies become mobile at about 100 K. Some of them cluster into di- and multi-vacancies which grow in size with temperature up to at least 145 K. A vacancy migration energy of 0.34 ± 0.07 eV is deduced, about three times higher than previously assumed. Possible mechanisms for vacancy formation by HF doping are discussed. Out-diffusion of HF is followed at –26°C over several weeks. The diffusion constant derived agrees within uncertainty (a factor of two) with the large value obtained by Haltenorth and Klinger. In particular two results seem important for other parts of ice physics. One is that HF doping creates an appreciable increase in the vacancy concentration, the influence of which should be considered in models for other defects in ice. The other is that vacancies migrate at about 100 K, a fact which might be important for the interpretation of some of the many “anomalous” effects observed in ice at about that temperature.

Résumé

Résumé

Let techniques d’annihilation de positon, qui sont particulièrement adaptées aux défauts de type lacune, sons employées pour étudier l’effet de l’irradiation et du dopage avec HF sur la glace. Nos conclusions principales sont que le dopage avec HF et l’irradiation créent, à basse température, des lacunes non mobiles. Lors du chauffage, les lacunes deviennent mobiles au voisinage de 100 K. Quelques unes d’entre elles forment des bi- ou multi-lacunes qui grossissent avec la température jusqu’à 145 K au moins. Nous obtenons une énergie de migration des lacunes de 0,34 ± 0,07 eV, soit environ trois fois plus que la valeur précédemment admise. Des mécanismes de formation de lacunes par dopage avec HF sont discutés. La diffusion du HF hors du cristal est observée à — 26°C pendant plusieurs semaines. Le coefficient de diffusion obtenu est en accord (à un facteur deux près) avec la valeur élevée trouvée par Haltenorth et Klinger. En particulier, deux résultats semblent importants pour la physique de la glace. L’un est que le dopage avec HF crée un accroissement appréciable de la concentration de lacunes dont l’influence doit être considérée dans les modèles relatifs aux autres défauts dans la glace. L’autre point est que la migration des lacunes aux environs de 100 K est un fait qui peut être important dans l’interprétation de certains “effets anomaux” observés dans la glace au voisinage de cette température.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Positronzerstrahlungstechniken, die besonders empfindlich sind auf leerstellenartige Fehlstellen, wurden dazu benützt, die Wirkung von Bestrahlung und HF-Dotieruug auf Eis zu untersuchen. Die wesentlichen Schlussfolgerungen sind, dass unbewegliche Wassermolekülfehlstellen bei tiefen Temperaturen entweder durch Bestrahlung oder HK-Dotierung erzeugt werden können. Beim Aufheizen werden die Leerstellen bei ungefähr 100 K. beweglich. Einige von ihnen lagern sich in Doppel- und Mehr-fachleerstellen zusammen, die mit der Temperatur bis mindestens 145 K in der Grösse wachsen. Es wird eine Leerstellenwanderungsenergie von 0,34 ± 0,07 eV abgeleitet, ein Wert ungefähr dreimal grösser als früher angenommen. Mögliche Mechanismen für die Leerstellenbildung durch HF-Dotierung werden besprochen. Ausdiffusion von HF wird bei — 26°C über mehrere Wochen vetfolgt. Die daraus abgeleitete Diffusions-konstante stimmt innerhalb der Messungenauigkeit (Faktor zwei) mit dem hohen, von Haltenorth und Klinger gefundenen Wert überein. Für die anderen Bereiche der Eisphysik scheinen besonders zwei Ergebnisse wichtig: Zum einen, dass HF-Dotierung einen merklichen Anstieg in der Leerstellenkonzentration erzeugt, dessen Einfluss in Modellen für andere Fehlstellen in Eis beachtet werden sollte. Zum anderen, dass Leerstellen bei ungefähr 100 K wandern, eine Tatsache, die wichtig sein kann für die Deutung einiger der vielen “anomalen” Effekte, die in Eis bei ungefähr dieser Temperatur beobachtet wurden.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1. Lifetime results fir pure ice γ-irradiated at 77 K and measured as a function of increasing temperature. Circles are for polycrystalline samples (11 Mrad). Triangles are for one set of monocrystals (4.1 Mrad). Squares are for another set of monocrystals (II Mrad). The full and the dashed curves far I3 and I4 are drawn for the 11 and 4.1 Mrad points, respectively. The changes at 93 K are associated with vacancy migration, the increase of τ4 with the growth of the size of voids.

Figure 1

Fig. 2. Annealing of 25 p.p.m. HF-doped crystals after quenching from — 20°C to liquid-nitrogen temperature. Lifetimes and intensities of the two long-lived components (trapped ortho-Ps) are shown. Open and closed circles ere for two different sets of samples. The increase of I4 is associated with migration of vacancies which form divacancies, the increase of τ4 with the growth of the size of voids.

Figure 2

Fig. 3. Effect of cooling rate from about 170 K of a 25 p.p.m. HF-doped crystal. The “1.2 ns” lifetime and its intensity are shown. Cooling rates tire: Circles, 1 deg/min between points, 3–4 d measuring time at each point; average cooling rate. = 2 × 10-3 deg/min. Squares, 1 deg/min. Triangles, quenched, i.e. about 100 deg/min.

Figure 3

Fig. 4. The intensity I3 of the “1.2 ns” component in ice initially doped to 25 p.p.m. HF as function of time, measured at — 26°C. The hatched area indicates results for pure ice. The decrease of I3 is associated with out-diffusion of HF.