Wechselwirkung langsamer hochgeladener Ionen mit der Oberfläche von Ionenkristallen und Isolatoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Phase Diagram for Nanostructuring CaF2 Surfaces by Slow Highly Charged Ions. In: Physical Review Letters 109 (2012), S. 117602
A. S. El-Said, R. A. Wilhelm, R. Heller, S. Facsko, C. Lemell, G. Wachter, J. Burgdörfer, R. Ritter und F. Aumayr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.117602) - Pit formation on poly(methyl methacrylate) due to ablation induced by individual slow highly charged ion impact. In: Europhysics Letters 97 (2012), S. 13001
R. Ritter, R. A. Wilhelm, R. Ginzel, G. Kowarik, R. Heller, A. S. El-Said, R. M. Papaléo, W. Rupp, J. R. Crespo López-Urrutia, J. Ullrich, S. Facsko und F. Aumayr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1209/0295-5075/97/13001) - Fabrication of nanopores in 1nm thick carbon nanomembranes with slow highly charged ions. In: Applied Physics Letters 102 (2013), S. 06312
R. Ritter, R. A. Wilhelm, M. Stöger-Pollach, R. Heller, A. Mücklich, U. Werner, H. Vieker, A. Beyer, S. Facsko, A. Gölzhäuser und F. Aumayr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4792511) - Novel aspects on the irradiation of HOPG surfaces with slow highly charged ions. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B 315 (2013), S. 252
R. Ritter, Q. Shen, R. A. Wilhelm, R. Heller, R. Ginzel, J. R. Crespo López-Urrutia, S. Facsko, C. Teichert und F. Aumayr
- Charge Exchange and Energy Loss of Slow Highly Charged Ions in 1 nm Thick Carbon Nanomembranes. In: Physical Review Letters 112 (2014), S. 153201
R. A. Wilhelm, E. Gruber, R. Ritter, R. Heller, S. Facsko und F. Aumayr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.153201) - Nanostructuring CaF2 surfaces with slow highly charged ions. In: Journal of Physics: Conference Series 488 (2014), S. 012002
A. S. El-Said, R. A. Wilhelm, R. Heller, R. Ritter, G. Wachter, S. Facsko, C. Lemell, J. Burgdörfer und F. Aumayr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1742-6596/488/1/012002) - Surface modifications of BaF2 and CaF2 single crystals by slow highly charged ions. In: Applied Surface Science 310 (2014), S. 169
A. S. El-Said, R. Heller, R. A. Wilhelm, S. Facsko und F. Aumayr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.03.083) - Wechselwirkung langsamer hochgeladener Ionen mit Ionenkristalloberflächen und ultradünnen Kohlenstoffmembranen. Dissertation, TU-Dresden (2014)
R. Wilhelm
- Highly charged ion induced nanostructures at surfaces by strong electronic excitations. In: Progress in Surface Science 90 (2015), S. 377
R. A. Wilhelm, A. S. El-Said, F. Krok, R. Heller, E. Gruber, F. Aumayr und S. Facsko
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.progsurf.2015.06.001) - Threshold and Efficiency for Perforation of 1 nm Thick Carbon Nanomembranes with Slow Highly Charged Ions. In: 2D Mater. Vol 2 No 3, 035009 (2015)
R. A. Wilhelm, E. Gruber, R. Ritter, R. Heller, A. Beyer, A. Turchanin, N. Klingner, R. Hübner, M. Stöger-Pollach, H. Vieker, G. Hlawacek, A. Gölzhäuser, S. Facsko und F. Aumayr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/2053-1583/2/3/035009)
