Elektronische Abbremsung langsamer leichter Ionen in Materie

Das Projekt "Electronic Stopping of Slow Light Ions in Matter" (ESOSLIM) zielte auf ein besseres Verständnis des Abbremsungsprozesses von Ionen (Wasserstoff-, Heliumionen) bei niedrigen Energien ( ~ 1 - 10 keV) in Materie durch Wechselwirkung mit den Elektronen der Probe. Dieser Abbremsungsprozess ("elektronische Abbremsung") ist für einfache Metalle wie Al gut verstanden, wo eine Bremskraft proportional zur Ionengeschwindigkeit von der Theorie vorhergesagt und vom Experiment bestätigt wurde. ESOSLIM hatte zum Ziel, die elektronische Abbremsung langsamer Ionen in komplexeren Metallen (mit einer komplexeren elektronischen Struktur) wie z.B. Gold (Au) und in einem ausgezeichneten Isolator wie z.B. Lithiumfluorid (LiF) zu untersuchen. Ergebnisse für Au: Au eine hat komplexe Bandstruktur, dennoch ist die Bremskraft bei hinreichend hohen Geschwindigkeiten geschwindigkeitsproportional. Man weiß auch, dass es für einen Teil der Leitungselektronen (5d-Elektronen) eine minimale Anregungsenergie gibt (~ 2 eV). Man wusste auch, dass infolge dieser Anregungsschwelle unterhalb einer charakteristischen Ionengeschwindigkeit Abweichungen von der Geschwindigkeitsproportio-nalität auftreten. Nun haben wir eine experimentelle Technik entwickelt, die es erlaubt, den Abbremsungsprozess bis zu noch niedrigeren Geschwindigkeiten (Energien) zu messen: die Bremskraft wurde für Protonen und Deuteronen in polykristallinem Gold im Bereich 200 eV/Atom - 10 keV gemessen, unter Verwendung von atomaren and molekularen Ionen als Projektilen. Wir fanden, dass die 5d-Elektronen von Au unterhalb einer charakteristischen Geschwindigkeit (v c,Au) nicht mehr zur elektronischen Abbremsung beitragen, und die Brems-kraft unterhalb dieser charakteristischen Geschwindigkeit wieder geschwindigkeitspropor-tional wird. Dieses Regime entspricht der elektronischen Abbremsung durch die freien Elektronen von Au, den 6s Elektronen. Die Bremskraft konnte auf binäre Stöße des Ions mit einzelnen Elektronen des Leitungsbandes zurückgeführt werden. Ergebnisse für LiF: Isolatoren wie LiF haben eine sehr große Schwellenergie für die Anregung von Elektronen (14 eV) und sind daher transparent. Ionenkristalle wie LiF haben eine hohe Erosionsrate bei Ionenbeschuss (elektronische Zerstäubung). Deshalb wurde ein Messverfahren entwickelt, das es ermöglicht, die Spektren unter Verwendung möglichst weniger Ionen zu messen ("Markermethode"). Trotz der großen minimalen Anregungs- energie ist die Bremskraft für Protonen in LIF geschwindigkeitsproportional ist (wie in einem einfachen Metall!). Im Projekt ESOSLIM fanden wir auch für LiF eine charakteristische Ionengeschwindigkeit vc,LiF, unterhalb derer die Bremskraft nicht mehr geschwindigkeitspro-portional ist. Unterhalb vc,LiF nimmt die Bremskraft schneller ab und zeigt zu einer Schwellge-schwindigkeit vS,LIF, unterhalb derer die Bremskraft verschwinden würde. Der Bremsmechanismus in Isolatoren ist noch nicht klar, aber es ist klar, dass die Abbremsung nicht über binäre Stöße des Ions mit einzelnen Elektronen des Leitungsbandes erfolgt.