Ionen-induzierte Nanostrukturierung von Festkörperoberflächen

Durch den Beschuss von Oberflächen mit einzelnen Ionen können dort Oberflächen-modifikationen im Nanometer- Bereich induziert werden. Dabei werden verschiedene Arten von topologischen Modifikationen, wie Nano-Hügel oder Nano-Krater beobachtet. Diese Modifikationen lassen sich sowohl durch schnelle schwere Ionen (SHI) als auch durch langsame, hochgeladene Ionen (HCI) erzeugen. Der Energieeintrag durch diese Ionen erfolgt hauptsächlich in das elektronische System des Festkörpers, entweder infolge ihrer kinetischen Energie (SHI) oder ihrer potentiellen Energie (HCI). Eine Veränderung der Oberfläche lässt sich in der Regel aber erst ab einer gewissen Schwellenergie beobachten. Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, den Mechanismus des Energieeintrags durch Vergleich der beiden sehr unterschiedlichen Projektilarten (HCI und SHI) besser zu verstehen (Gemeinsamkeiten aber auch Unterschiede zu finden), was für spätere Anwendungen der verschiedenen Ionenarten zur gezielten Modifikation von Festkörper-oberflächen wichtig sein könnte. Langsame und schnelle Ionen deponieren ihre Energie zwar beide ins elektronische System des Targets, das aber in verschiedenen Tiefen: Während SHI den Festkörper entlang der gesamten Ionenspur schädigen, produzieren langsame HCI überwiegend Defekte nahe der Auftreffstelle. Um die beiden Ionenarten leichter vergleichen zu können, beabsichtigen wir, die SHI unter stark streifendem Einschuss auf die Targetoberfläche fallen zu lassen, um so Ionenspuren nahe der Oberfläche zu erzeugen. Zu beiden Projektiltypen gibt es bereits Vorstudien die allerdings an z.T. sehr unterschiedlichen Materialien durchgeführt wurden. Wir planen, uns vorerst auf eine relativ überschaubare Anzahl von Targetmaterialien zu konzentrieren, diese aber mit vielen unterschiedlichen Projektilionen in unterschiedlichsten Energiebereichen (SHI, HCI) zu beschießen. Je nach Bedarf sind später auch andere Materialien vorgesehen. Als weiterer Unterschied zu den bisherigen Untersuchungen, die zumeist mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) durchgeführt wurden, sollen bei diesem Projekt zusätzlich zu AFM auch eine Reihe ergänzender Methoden eingesetzt werden. Wir werden hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie TEM nutzen, um auch tiefer liegende Schädigungen sichtbar zu machen. Geplant ist auch der Einsatz von SEM, XPS, Auger, LEED und RBS/Channeling zur chemischen und strukturellen Untersuchungen der geschädigten Gebiete. Diese breite Vielfalt von Techniken wird es uns ermöglichen, die beteiligten Prozesse zu erforschen, und deren Mechanismen besser zu verstehen. Die Wiener Gruppe wird dabei Ihre Expertise für Oberflächencharakterisierung mit AFM, und ihre langjährige international anerkannte Erfahrung auf dem Gebiet der Wechselwirkungen von langsamen hochgeladene Ionen mit Oberflächen einbringen. Die Caen Gruppe wiederum hat mit den Möglichkeiten der Beschleunigeranlagen in GANIL, eine große Palette verschiedenster Projektilionen (von HCI bis SHI) in unterschiedlichsten Energiebereichen zur Verfügung. Ihre zur Wiener Gruppe komplementäre Expertise ist auf dem Gebiet der streifenden Wechselwirkung schneller SHI mit Oberflächen und im Bereich von TEM Messungen angesiedelt. Das Projekt wird Gegenstand einer Dissertation auf der Wiener Seite sowie einer Studie eines Postdocs auf der Caen Seite sein.

Geladene Atome, auch genannt Ionen, werden in der Halbleitertechnik seit langem für Ätz- und Reinigungsprozesse sowie zur gezielten Beeinflussung der Eigenschaften von Halb-leiterbauteilen durch Implantation von Fremdatomen (Dotieren) eingesetzt. Erhöht man den Ladungszustand der Atome, indem man ihnen immer mehr ihrer Hüllenelektronen entreißt -was nur in speziellen Ionenfallen/Ionenquellen möglich ist - erhält man sogenannte hochgeladene Ionen, die zusätzlich zu ihrer kinetischen Energie auch beträchtliche Mengen an potentieller Energie mit sich tragen. Zu untersuchen, ob sich diese Art von Ionen als neues Werkzeug zur Oberflächenstrukturierung und Modifizierung von Materialeigenschaften im Nanometerbereich eignet und zu verstehen, welche Rolle dabei die potentielle Energie spielt, war vorrangiges Ziel dieses Projekts. Dazu haben die österreichischen Projektteilnehmer an deutschen und französischen Ionenstrahllabors diverse Materialien mit hochgeladenen und schweren Ionen beschossen und die auf der Probenoberfläche zurückgelassenen winzigen "Spuren" einzelner solcher Ionen mit einem extrem hochauflösenden Rasterkraftmikroskop sichtbar gemacht. Abhängig von Art, Ladungszustand, Einfallswinkel und Energie der Ionen und dem verwendeten Material wurden dabei Nanometer (= ein millionstel Millimeter) große Krater, Hügel, aber auch vulkanartige Kegel und langgezogene Rillen oder Hügelketten in der mikroskopischen (nanoskopischen) Landschaft beobachtet. Die Spuren haben dabei oft große Ähnlichkeit mit Meteoriteneinschlägen allerdings auf einer ganz anderen Längenskala. Eine besondere Entdeckung des Projektteams waren Nanometer große Löcher, die man erhält, wenn man hochgeladene Ionen (ähnlich einer Nanoschrotflinte) auf ultra-dünne Kohlenstoffmembranen schießt. Diese so durchlöcherte Membran könnte eventuell als Nano-Sieb dienen, dessen Löcher bestimmte Moleküle gezielt durchlassen und andere nicht, und daher für biologische Anwendungen interessant sein könnten. Das Projekt hatte allerdings weniger die möglichen Anwendungen solcher Ionen im Visier als vielmehr ein vertieftes Verständnis der Mechanismen, die zur Entstehung solcher Nano-strukturen führen. Dazu wurden Experimente mit der dünnsten aller möglichen Membranen durchgeführt: mit dem Wundermaterial Graphen, das aus bloß einer Atomlage Kohlenstoff besteht. Diese Experimente konnten zeigen, dass dem Graphen durch den Beschuss mit Ionen besonders hoher elektrischer Ladung an deren Einschlagstelle eine große Anzahl von Elektronen entrissen wird. Aufgrund seiner außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften ist Graphen allerdings in der Lage, die Elektronen innerhalb von Femtosekunden wieder nachzuliefern. Dabei entstehen kurzfristig extrem hohe Ströme, die unter gewöhnlichen Bedingungen gar nicht möglich wären. Die extrem hohe Mobilität der Elektronen in Graphen machen dieses Material zu einem wichtigen Hoffnungsträger für zukünftige Anwendungen in der Mikro- und Nanoelektronik.