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Wechselwirkung langsamer hochgeladener Ionen mit der Oberfläche von Ionenkristallen und Isolatoren

Applicant Dr. Stefan Facsko, since 4/2011
Subject Area Experimental Condensed Matter Physics
Term from 2010 to 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 185024849
 
Final Report Year 2015

Final Report Abstract

Im Rahmen des DFG-Projektes wurde die Wechselwirkung von langsamen hochgeladenen Ionen (HCI, engl. Highly Charged Ion) mit Ionenkristalloberflächen und 1nm dicken Kohlenstoffschichten im Hinblick auf Nanostrukturerzeugung untersucht. Aufbauend auf Vorarbeiten der Antragsteller zeigten Untersuchungen auf KCl(001)-Oberflächen, dass das Prinzip der Lochstrukturbildung durch hochgeladene Ionen auch auf weitere Alkalihalogenidsysteme erweitert werden kann. Im Gegensatz zu KBr ließ sich auf KCl feststellen, dass der potentielle Energieschwellwert zur Strukturerzeugung etwa um einen Faktor 10 höher liegt. Gleichzeitig konnten bei höchsten Ladungzuständen von Q>33 Lochstrukturen mit mehrlagiger Tiefe erzeugt werden. Qualitativ konnte die Erzeugung von Lochstrukturen auch durch das Modell der elektronenstimulierten Desorption erklärt werden. Auf CaF2 (111)-Oberflächen konnte gezeigt werden, dass unter in-situ Bedingungen, d.h. ohne Unterbrechen der Vakuumkette, die Volumina von Nanohügeln um etwa einen Faktor 3 kleiner gemessen werden als unter ex-situ Bedingungen. Das Anwachsen der Nanohügel durch Kontakt mit Luft wurde durch die Änderung der Gitterabstände für oxidiertes Calcium erklärt, d.h. es musste angenommen werden, dass sich die Stöchiometrie der Oberfläche am Einschlagsort des Ions ändert. Für den Fall von ex-situ Untersuchungen wurde außerdem gezeigt, dass unterhalb des potentiellen Energieschwellwertes für Nanohügelerzeugung Kristalldefekte erzeugt werden, die auch der potentiellen Energiedeposition zugeschrieben werden müssen. Für diese mittleren potentiellen Energien werden strukturelle Veränderungen, d.h. Kristalldefekte erzeugt, die bei Alkalihalogeniden zur Desorption und bei CaF2 zur erhöhten Ätzbarkeit führen. Diese Beobachtung verknüpft die Strukturbildungsphänomene auf KBr und KCl mit denen auf CaF2. Bei der Bestrahlung von ultradünnen, freistehenden Kohlenstoffmembranen zeigte sich in diesem Projekt erstmalig, dass hochgeladene Ionen mit einem Ladungszustand von Q>25 effektiv zur Bildung von Poren mit Größen von 520nm führen. Die Anzahl herausgelöster Kohlenstoffatome entsprach dabei etwa 1000-11000. Bei typischen Bindungsenergien von etwa 10eV pro Atom bedurfte es also der Deposition von 10-100keV pro Ion, wenn man annimmt, dass jede Bindung gebrochen werden muss. Um jedoch eine effektive Deposition der Energie des Ions nachzuweisen, wurden Messungen des Energieverlustes und des Ladungstransfers mit Hilfe eines elektrostatischen Analysators durchgeführt. Es zeigte sich dabei, dass die Umladung der Ionen zur Ausbildung einer bi-modalen Austrittsladungszustandsverteilungen führte. Die Verteilung hoher Austrittsladungszustände wird mit dem Durchgang der Ionen bei sehr großen Stoßparametern in Verbindung gebracht, bei denen weder signifikanter kinetischer Energietransfer noch Ladungsaustausch stattfindet. Die Verteilung niedriger Austrittsladungszustände zeigt hingegen einen kinetische Energieverlust, der um bis zu einem Faktor 13 höher lag als der vorhergesagte Wert aus einer TRIM-Simulation. Diese Verteilung konnte auch unter verschiedenen Austrittswinkeln nachgewiesen werden, wodurch die Schlussfolgerung nahe liegt, dass die nukleare Wechselwirkung eine wesentliche Rolle spielt.

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