Abbremsung leichter Ionen im Bereich der Anregungsschwelle

Die elektronische Bremskraft, die auf Ionen wirkt, die sich in einem Medium bewegen, ist eine allgegenwärtige Größe in allen Bereichen der Ion-Materie-Wechselwirkung, mit Anwendungen z.B. in der Festkörperphysik, Strahlenphysik, Plasmaphysik, Fusionsforschung, Dosimetrie und Ionenstrahl-Analytik, und ist daher von grundlegender Bedeutung. Die zugrundeliegende physischen Prozesse sind in Metallen, Halbleitern und Gasen gut verstanden. Für Isolatoren mit einer großen Bandlücke ist es noch unklar, welche physischen Prozesse dafür verantwortlich sind, dass in Materialien mit großer Bandlücke auf langsame Ionen eine ziemlich große Bremskraft wirkt. Daher zielt dieser Projektvorschlag auf ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Wechselwirkungsmechanismen ab. Im Detail wollen wir Antworten auf folgende offenen Fragen finden: (1) Welcher Mechanismus ist für die Elektronen-Loch-Paar-Anregung in ionischen und kovalenten Isolatoren dominant? (2) Gibt es eine Schwelle der elektronischen Bremskraft für einen Halbleiter wie Si? (3) Gibt es systematische Unterschiede in der Bremskraft von polykristallinen Schichten und Einkristallen desselben Isolators auf Grund elektronischer Defekte? Zur Erreichung dieser Ziele werden folgende Strategien verfolgt: Einerseits werden dünne Isolatorenschichten in situ durch Elektronenstrahlverdampfung hergestellt und die elektronische Bremskraft in Rückstreu-Geometrie mittels Flugzeit-Spektroskopie (TOF-LEIS) untersucht. Die Bestimmung der elektronischen Bremskraft aus dem Energienspektrum der rückgestreuten Ionen erfordert den Vergleich der Messungen mit Monte-Carlo Simulationen. Andererseits werden Einkristalle als Proben verwendet. An Einkristallen können die Experimente entweder für Ausrichtung des Kristallgitters mit dem Ionenstrahl oder dem Detektor durchgeführt werden (Channeling/Blocking) oder in "Random"-Geometrie. Messungen in Channeling/Blocking Geometrie sind auf die äußerste Atomlage(n) empfindlich und daher am besten geeignet, die Anregung einzelner Elektronen-Loch-Paare zu untersuchen. Für die Analyse von Einkristallen in Random-Richtung entspricht die Information "amorphen" Proben. In diesem Fall erfordert die Abschätzung der elektronischen Bremskraft aus dem Rückstreuspektrum ebenfalls die Verwendung von Monte-Carlo Simulationen. Das Hauptziel dieses Proposals ist also, die elektronische Abbemsung langsamer Ionen in Materialien mit endlicher Anregungsenergie (Halbleiter und Isolatoren) zu verstehen. Dafür ist der Bereich sehr niedriger Ionengeschwindigkeiten wesentlich, in dem die Anregung von Elektron-Loch-Paaren über binäre Stöße nicht mehr möglich ist, d.h. unterhalb der Anregungsschwelle.

Die elektronische Bremskraft, die auf Ionen wirkt, die sich in einem Medium bewegen, ist eine allgegenwärtige Größe in allen Bereichen der Ion-Materie-Wechselwirkung, mit Anwen-dungen z.B. in der Festkörperphysik, Strahlenphysik, Plasmaphysik, Fusionsforschung, Dosi-metrie und Ionenstrahl-Analytik, und ist daher von grundlegender Bedeutung. Die zugrunde-liegende physischen Prozesse sind in Metallen, Halbleitern und Gasen gut verstanden. Für Isolatoren mit einer großen Bandlücke ist es noch unklar, welche physischen Prozesse dafür verantwortlich sind, dass in Materialien mit großer Bandlücke auf langsame Ionen eine ziemlich große Bremskraft wirkt. Daher zielt dieser Projektvorschlag auf ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Wechselwirkungsmechanismen ab. Im Detail wollen wir Antworten auf folgende offenen Fragen finden: 1. Welcher Mechanismus ist für die Elektronen-Loch-Paar-Anregung in ionischen und kovalenten Isolatoren dominant? 2. Gibt es eine Schwelle der elektronischen Bremskraft für einen Halbleiter wie Si? 3. Gibt es systematische Unterschiede in der Bremskraft von polykristallinen Schichten und Einkristallen desselben Isolators auf Grund elektronischer Defekte? Zur Erreichung dieser Ziele werden folgende Strategien verfolgt: Einerseits werden dünne Isolatorenschichten in situ durch Elektronenstrahlverdampfung hergestellt und die elektronische Bremskraft in Rückstreu-Geometrie mittels Flugzeit-Spektroskopie (TOF-LEIS) untersucht. Die Bestimmung der elektronischen Bremskraft aus dem Energienspektrum der rückgestreuten Ionen erfordert den Vergleich der Messungen mit Monte-Carlo Simulationen. Andererseits werden Einkristalle als Proben verwendet. An Einkristallen können die Experimente entweder für Ausrichtung des Kristallgitters mit dem Ionenstrahl oder dem Detektor durchgeführt werden (Channeling/Blocking) oder in "Random"-Geometrie. Messungen in Channeling/Blocking Geometrie sind auf die äußerste Atomlage(n) empfindlich und daher am besten geeignet, die Anregung einzelner Elektronen-Loch-Paare zu untersuchen. Für die Analyse von Einkristallen in Random-Richtung entspricht die Information "amorphen" Proben. In diesem Fall erfordert die Abschätzung der elektronischen Bremskraft aus dem Rückstreuspektrum ebenfalls die Verwendung von Monte-Carlo Simulationen. Das Hauptziel dieses Proposals ist also, die elektronische Abbemsung langsamer Ionen in Materialien mit endlicher Anregungsenergie (Halbleiter und Isolatoren) zu verstehen. Dafür ist der Bereich sehr niedriger Ionengeschwindigkeiten wesentlich, in dem die Anregung von Elektron-Loch-Paaren über binäre Stöße nicht mehr möglich ist, d.h. unterhalb der Anregungsschwelle.