Wie reagieren Isolatoroberflächen auf hochgeladene Ionen

Bei der Wechselwirkung langsamer hochgeladener Ionen mit Oberflächen kommt es zur Bildung von "hohlen Atomen" (kurzlebigen vielfach angeregten Atomzuständen). Während für leitende Oberflächen (Metalle) die dabei auftretenden elektronischen Prozesse durch eine Vielzahl experimenteller und theoretischer Untersuchungen in den letzten Jahren weitgehend aufgeklärt werden konnten, ist dies für Isolatoroberflächen noch nicht zufriedenstellend gelungen. Unterschiede im Vergleich mit Metallen sind aus folgenden Gründen zu erwarten: (i) Unterschiedliche dielektrische Antwort eines Isolators (reduzierte Bildladung, geringere Löchermobilität), (ii) lokale Aufladung der Oberfläche am Einschlagort des Projektils, wodurch die Anziehung durch die Bildladung reduziert und möglicherweise sogar aufgehoben wird, und (iii) Änderungen bei elektronischen Prozessen (Neutralisation und Reionisation des Projektils, Anregung des Targets) aufgrund der großen Bandlücke. Im Rahmen dieses Projekts soll das Verhalten von Isolatoroberflächen unter dem Einfluss der starken Störung durch ein sich langsam näherndes hochgeladenes Projektilion studiert werden. Zu diesem Zweck sind Experimente an der TU Wien mit Ionen in mittleren Ladungszuständen bis etwa 20+), und am Max Planck Institut für Kernphysik in Heidelberg/Deutschland (mit extrem hochgeladenen Ionen bis etwa 60+) geplant. Dabei sollen die Emission von Elektronen, Effekte der Bildladungsbeschleunigung bis zu einer möglichen Abstoßung durch positive Löcher und die elektronischen Anregung von Targetatomen für verschiedene Isolatoroberflächen untersucht werden. Außerdem sollen am Institut für Theoretische Physik der TU Wien Simulationen durchgeführt werden, welche zum besseren Verständnis der experimentellen Ergebnisse beitragen können.

Vorrangiges Ziel des Projektes war es, die Wechselwirkung langsamer, sehr hoch geladener Ionen mit Isolatoroberflächen zu studieren. Bei dieser Wechselwirkung kommt es zur Emission einer Vielzahl von Elektronen und zur elektronischen Anregung des Targetmaterials, die zu Oberflächenmodifikationen im Nanometerbereich führen kann. Durch Experimente mit hochgeladenen Ionen, durchgeführt in Wien, Heidelberg, Dresden und Caen und begleitende Simulationsrechnungen in Wien, konnte eine Reihe neuer Erkenntnisse über die zugrundeliegenden fundamentalen elektronischen Prozesse gewonnen werden. So gelang es im Rahmen des Projektes erstmals, die Elektronenemission aus Isolatoroberflächen aufgrund der potentiellen Projektilenergie für sehr hochgeladenen Projektilionen bis hin zu den kleinst möglichen Auftreff-geschwindigkeiten zu vermessen. Dabei wurden überraschend hohe Elektronenausbeuten sowie eine ungewöhnliche Geschwindigkeitsabhängigkeit festgestellt und durch Vergleich mit Modellrechnungen geklärt. Nach Bestrahlung von Kalziumfluoridoberflächen mit hochgeladenen Ionen wurden im Rastkraftmikroskop Nanometer-große Hügel entdeckt, wobei jedem auftreffenden Ion ein Hügel zugeordnet werden konnte. Die Größe dieser Nanostrukturen kann über den Projektilladungszustand gezielt verändert werden. Allerdings werden Hügel immer erst ab einem bestimmten Ladungszustand der Projektilionen beobachtet. Die Arbeit der TU-PhysikerInnen hat nun gezeigt, dass die in den hochgeladenen Ionen gespeichert potentielle Energie in einem nur wenige Nanometer großen Gebiet nahe der Oberfläche deponiert wird und so zu einem Aufschmelzen des Festkörpers ("Nanoschmelze") führt. Auch bei einer Reihe weiterer Materialien (z.B.: Alkalihalogenide, Oxide) wurden ähnliche Oberflächen-modifikationen durch den Aufprall langsamer hochgeladener Ionen beobachtet. Neben Nano- Hügeln kommen dabei auch andere interessante Formen wie Vertiefungen und Krater zum Vorschein. Diese Fähigkeit der hochgeladenen Ionen, Phasenübergänge im Nanometerbereich zu bewirken ist für potentielle Anwendungen in der Halbleiter- und Nanotechnologie interessant und könnte u.a. die Materialbearbeitung mit langsamen, hochgeladenen Ionen im Nanometerbereich ermöglichen. Die Ergebnisse des Projekts wurden in bisher 36 wissenschaftliche Beiträgen (darunter 3 Physical Review Letters) veröffentlicht und in mehr als 20 eingeladenen Vorträge bei internationalen Konferenzen vorgestellt.