Dynamik von durch Ionenbeschuss erzeugten Nanostrukturen an Oberflächen

• Applicant: Professor Dr. Hubert Gnaser
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2011 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 192642089

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Beim Ionenbeschuss von Festkörpern entstehen an der Oberfläche häufig periodisch modulierte, nanoskalige Strukturen, d.h. eine lateral korrelierte Ordnung. Bei Erreichen eines Gleichgewichtszustandes können sich dabei (hexagonal) geordnete Nanopunkte bilden, oder es kann sich eine wellenförmige Oberflächenmorphologie („Ripple“) entwickeln, häufig mit Größen von < 100 nm. Es wurde vorgeschlagen, dass diese selbst organisierenden Strukturen aus einer Instabilität der Oberfläche resultieren, die abhängig ist von der Zerstäubung („Sputtering“), die in der Regel zu einer Aufrauhung führt sowie von verschiedenen Relaxationsmechanismen wie thermische und/oder ioneninduzierte Diffusion, die eine Glättung bewirken können. Daher wird angenommen, dass die spezielle Form dieser Strukturen für ein bestimmtes Material von verschiedenen Parametern der Ionenbestrahlung (z.B. Energie und Auftreffwinkel der Ionen, Beschussfluenz oder Flussdichte) abhängig sind. Es war das Ziel dieses Projekts solche Zusammenhänge für ausgewählte Systeme zu untersuchen. Die Bildung und Ausbreitungen von Ripple-Strukturen an einer Glasoberfläche konnte für 30 keV Ga+ Beschussionen in einem Focused-Ion-Beam (FIB) Gerät in situ durchgeführt werden. Dabei ergab sich eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von ~77 nm/10^17 Ionen cm^-2, wobei die Richtung parallel zur projizierten Einfallsrichtung des Ionenstrahls liegt. Gegenüber dem ursprünglichen Antrag wurden diese Experimente erweitert indem auch vorstrukturierte Oberflächen verwendet wurden. Diese Ergebnisse ermöglichten einen detaillierten Vergleich mit einem theoretisch Modell und die Abschätzung verschiedener Parameter dieses Modells deren Werte a priori nicht bekannt waren. Die Charakterisierung von Nanostrukturen für unterschiedliche Beschussparameter (Energie, Fluenz, Flussdichte der Ionen) wurde primär an III-V-Halbleitern (GaAs, GaSb, InP) durchgeführt. Die Experimente zeigten insbesondere an InP die Bildung regelmäßiger, kegelförmiger Strukturen mit Abmessungen von einigen 10 nm. Dabei wurde eine eindeutige Abhängigkeit der (mittleren) Werte der Höhe h, des Radius r und des gegenseitigen Abstands l der Kegelstrukturen von der Fluenz Φ gefunden. Die experimentell bestimmten Werte lassen sich durch Potenzgesetze anpassen: r ∝ Φ0.40, h ∝ Φ0.48, und l ∝ Φ0.19. Aufnahmen der Oberfläche mittels Rasterelektronen-Mikroskopie illustrierten außerdem, dass (i) die einzelnen Nanokegel zum Teil durch brückenartige Strukturen verbunden sind und (ii) die äußeren Oberflächen der Kegel nicht glatt sondern selbst strukturiert sind. Ein völlig neuer Untersuchungsansatz betraf die Bestimmung der elementaren Zusammensetzung der an InP gebildeten Nanostrukturen mittels Atomsonden-Tomographie (APT). Dies ist von Bedeutung, da in theoretischen Modellen vorgeschlagen wurde, dass es in binären oder mehrkomponentigen Proben unter Ionenbeschuss neben der Ausbildung von Nanostrukturen an der Oberfläche auch zu lokalen Änderungen der Zusammensetzung kommen kann. Erste Ergebnisse zeigten, dass sich mittels APT grundsätzlich die elementare Zusammensetzung von durch Ionenbeschuss erzeugten Nanostrukturen mit nm-Auflösung bestimmen lässt.

Publications

• Nanostructures on surfaces by ion irradiation. Pure Appl. Chem. 83, 20032025 (2011)
  H. Gnaser
  
• Atom probe tomography of ion-irradiated ultra-thin Fe/Cr/Fe trilayers with sub-nm spatial resolution. J. Phys. D: Appl. Phys. 45, 50503-15 (2012)
  H. Gnaser, R. Schiller, M. Wahl, B. Reuscher, A. Zeuner, M. Kopnarski, R. Neb, B. Hillebrands
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  H. Gnaser, B. Reuscher, A. Zeuner
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• Atomic relocation in ion-bombarded ultra-thin films analyzed with sub-nm spatial resolution. Nucl. Instrum. Methods B 315, 126130 (2013)
  H. Gnaser, R. Schiller, M. Wahl, B. Reuscher
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• Self-organizing nanodot structures on InP surfaces evolving under low-energy ion irradiation: analysis of morphology and composition. Nanoscale Res. Lett. 9, 403411 (2014)
  T. Radny, H. Gnaser
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• Wavelength-dependent ripple propagation on ionirradiated prepatterned surfaces driven by viscous flow corroborates two-field continuum model. Phys. Rev. B 89, 205422-110 (2014)
  D. Kramczynski, B. Reuscher, H. Gnaser
  (See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.205422)
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  H. Gnaser, T. Radny
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2015.04.020)
• Nanocone formation on ion-bombarded InP surfaces. Appl. Surf. Sci. 355, 653659 (2015)
  D. Kramczynski, H. Gnaser
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.07.156)