Atomic scale surface damage by ion bombardment at grazing incidence
Final Report Abstract
Die Bestrahlung von Metalloberflächen mit Ionen mit keV-Energien führt im allgemeinen zur Erosion der Oberfläche und zur Erzeugung von Schädigungsspuren. Fällt das Ion mit streifendem Einfallswinkel auf die Oberfläche, wird es von einer glatten Terrasse spiegelnd reflektiert ohne Schaden anzurichten; nur bei einem Aufprall in der Nähe eines Oberflächendefektes (Stufe, Vakanzen- oder Adatominsel, einzelne Adatome) kommt es zur Oberflächenschädigung. Dieser Effekt kann – falls gezielt eingesetzt – positive Auswirkungen haben; Beispiele hierfür sind die die Manipulation des Wachstums dünner Schichten, die Musterbildung auf Oberflächen oder die Glättung von Oberflächen. Wir kombinieren Experiment und Computersimulation, um die grundlegenden physikalischen Prozesse beim streifenden Aufprall von keV-Ionen auf Metalloberflächen zu untersuchen. Als wesentliche Ergebnisse des Vorhabens haben wir gefunden: 1. Streifende Ionen können individuelle Schädigungsspuren an Oberflächen hinterlassen, die mit dem Tunnelmikroskop einzeln beobachtet und untersucht werden können. Die individuellen Spuren sind besonders für Xe-Ionen deutlich sichtbar, wo sie als zusammenhängende linear verlaufende Gräben auftreten; ihre Länge beträgt bis zu 100 nm, während ihre Breite und Tiefe etwa 1 Atomdurchmesser betragen. 2. Die physikalische Ursache dieser Spuren liegt im subsurface channeling, bei der das Ion zwischen den beiden obersten Atomlagen des Festkörpers geführt wird. Dieser Mechanismus tritt nur in einem gewissen Fenster (Beschussenergie und -winkel) auf und hängt auch deutlich vom Einfallsazimuth sowie der Oberflächentemperatur ab. 3. Adatominseln beeinflussen das Schädigungsverhalten streifender Ionen nur, wenn das Ion in der Nähe der ansteigenden Stufe auf die Oberfläche trifft. Deshalb ist – bei gleicher nomineller Bedeckung der Oberfläche mit Adatomen – die Wirkung großer Inseln relativ gering. Da andererseits einzelne Adatome nur einen kleinen Schädigungsquerschnitt aufweisen, finden wir, dass Inseln mit einer mittleren Größe (im konret untersuchten Fall von etwa 10-20 Adatomen) am stärksten durch streifende Ionen geschädigt werden 4. Auch Vakanzinseln werden nur an ihrer ansteigenden Stufe geschädigt. Jedoch finden wir auch einen Einfluss der absteigenden Stufe: diese lenkt das Ion ab und kann es zur ansteigenden Stufe hinsteuern. Wir finden ein einfaches Kriterium, das entscheidet, ob eine Vakanzinsel zur Oberflächenschädigung durch streifenden Ioneneinfall beiträgt.
Publications
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Sputtering at grazing ion incidence: Influence of adatom islands. Phys. Rev. B 82, 125440 (2010)
Y. Rosandi, A. Redinger, T. Michely, and H. M. Urbassek
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Trails of Kilovolt Ions Created by Subsurface Channeling. Phys. Rev. Lett. 104, 075501 (2010)
A. Redinger, S. Standop, T. Michely, Y. Rosandi, and H. M. Urbassek
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Making channelling visible: keV noble gas ion trails on Pt(111). New J. Phys. 13, 013002 (2011)
A. Redinger, S. Standop, Y. Rosandi, H.M. Urbassek, and T.Michely
