Ion tracks as electrically conducting nanowires
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden die Eigenschaften von Ionenspuren in ta-C bezüglich ihrer Leitfähigkeit und Konformität untersucht und durch verschiedene Ansätze zur Erhöhung der Leitfähigkeit der Spuren untersucht. Zudem wurde eine detaillierte Analyse der elektrischen Leitungsprozesse mittels Immittanzspektroskopie durchgeführt, und die frequenzabhängigen I-V Kennlinien von ta-C Schichten quantitativ beschrieben. Es wurde eine Lösung für ein altes Problem mit dem Frenkel-Poole Leitungsmechanismus gefunden, so dass nun realistische physikalische Parameter wie Dielektrizitätskonstante, Höhen von Schottky-Barrieren etc. ausgewertet werden können. Es zeigt sich, dass der Frenkel-Poole Leitungsmechanismus für Temperaturen oberhalb 200K die Leitfähigkeit des ta-C als auch der Ionenspuren sehr gut beschreibt. Eine Verbesserung der Spurleitfähigkeit wurde durch Dotierung des ta-C mit Cu und Fe, bedingt auch mit N und B gefunden. Besonders ausgeprägt gut leitende spuren werden nach Bestrahlung mit 30 MeV C60 Ionen erzielt, was mit dem extrem hohen elektronischen Energieverlust von 70 keV/nm erklärt wird. Zur Maximierung des elektronischen Energieverlustes wurden an den Beschleunigern GANIL und an der GSI Experimente mit ladungsselektierten Ionen durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Spurleitfähigkeiten für Bestrahlungen mit extrem hoch geladenen Ionen wie 209Bi61+ deutlich ansteigen. Mit Hilfe eines Tieftemperatur Rasterkraft-Mikroskops war es möglich eine größere Zahl an Ionenspuren simultan hinsichtlich Topographie und Stromkennlinen als Funktion der Temperatur zu analysieren und so einen sehr guten Datensatz zur Analyse der elektrischen Leitungsprozesse in Ionenspuren zu gewinnen. Diese konnten quantitativ dem Frenkel-Poole Mechanismus zugeordnet werden. Es konnten unterbrochene Ionenspuren durch eingebettete Doppellagen von BN in ta-C realisiert werden. Dabei betrug das Volumen der eingebettenen „Quantenpunkts nur wenige nm3, die Zuleitungen hatten 8 nm Durchmesser und die BN Barrieren wenige nm Dicke. Allerdings konnten wegen zu geringer Ströme durch diese Spuren bisher keine klaren Indizien für Coulomb-Blockadeeffekte nachgewiesen werden.
Publications
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Conducting Ion Tracks in Thetrahedral Amorphous Carbaon: Fundamentals and Perspectives for Applications, Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, Second Edition, 2012 by Taylor & Francis
Krauser, J., Weidinger, A.
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Conductivity enhancement of ion tracks in tetrahedral amorphous carbon by doping with N, B, Cu and Fe, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 272, (2012) 280- 283
Krauser, J., Nix, A.-K., Gehrke, H.-G., Hofsäss, H., Trautmann, C., Weidinger, A.
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Nano-hillock formation in diamond-like carbon induced by swift heavy projectiles in the electronic stopping regime: Experiments and atomistic simulations, Applied Physics Letters, 101 (11), (2012) 113115
Schwen, D., Bringa, E., Krauser, J., Weidinger, A., Trautmann, C., Hofsäss, H.
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Conductive tracks of 30-MeV C60 clusters in doped and undoped tetrahedral amorphous carbon, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 307 (2013) 265-268
Krauser, J., Gehrke, H.-G., Hofsäss, H., Trautmann, C., Weidinger, A.
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Analysis of immittance spectra: Finding unambiguous electrical equivalent circuits to represent the underlying physics, Phys. Rev. Applied 4, (2015) 044007
J. A. Amani, T. Koppe, H. Hofsäss, and U. Vetter
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Electrical conduction of ion tracks in tetrahedral amorpous carbon: temperature, field and doping dependence and comparison with matrix data, New Journal of Physics (2015) 1/23009
Krauser, J., Gehrke, H.-G.,Hofsäss, H., Amani, J., Trautmann, C., Weidinger, A.
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A novel approach of immittance-spectra analysis and how it resolves a decade-old deviation of the Frenkel-Poole model, Dissertation, Universität Göttingen, 2016
J. A. Amani
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Conducting ion tracks generated by charge-selected swift heavy ions, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 381 (2016) 76-83
Gupta, S., Gehrke, H.G., Krauser, J., Trautmann, C., Severin, D., Bender, M., Rothard, H., Hofsäss, H.
