Neutralisation von Edelgasionen an Oxydoberflächen in Low-Energy Ion Scattering

Der Ladungsaustausch zwischen Ionen und Festkörperoberflächen ist in der angewandten Wissenschaft und in der Grundlagenforschung von großem Interesse. Viele technische Anwendungen zur Analyse oder Modifikation von Materialeigenschaften beruhen auf Ionenstrahlen und benötigen deshalb quantitative Informationen über die auf das Ion einwirkenden Ladungsaustausch-Mechanismen. Während die Niederenergieionenstreuung (LEIS) erfolgreich zur extrem oberflächenempfindlichen Analyse von Festkörper-Zusammensetzungen verwendet wird, sind die zugrundeliegenden Ladungsaustausch-Mechanismen nur ungenügend verstanden. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen eine starke Abhängigkeit des Ladungsaustausches von der elektronischen Struktur der Probe. Die Anwesenheit von Sauerstoff an der Oberfläche hat bekanntermaßen einen starken Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften der Oberfläche. Dennoch ist die Auswirkung von Sauerstoff auf den Ladungsaustausch von Edelgas- Ionen noch kaum untersucht. Das ist insofern überraschend als Sauerstoff ein in vielen Anwendungen wichtiger Bestandteil von technischen Oberflächen ist. Deshalb ist geplant, den Ladungsaustausch von He-Projektilen an sauerstoffhältigen Oberflächen experimentell zu untersuchen. Für ein umfassendes Verständnis werden die Ergebnisse in Kooperation mit KollegInnen aus dem Bereich der theoretischen Physik modelliert. Die Messungen werden an ESA- und TOF-LEIS Apparaturen durchgeführt. Dabei werden amorphe und einkristalline Proben ausgewählter Metalle, Halbleiter gezielt mit Sauerstoff begast und die Umladungsprozesse an den Adsorbatstrukturen bzw. Oberflächenoxiden untersucht. Die Resultate sollen Antworten auf die folgenden Fragen geben: 1. Wie beeinflusst die Adsorption von Sauerstoff bzw. die Bildung eines Oberflächenoxids den Ladungsaustausch von He mit den Atomen der Oberfläche? 2. Welche Ladungsaustauschprozesse finden zwischen He und Sauerstoff in der Adsorbatphase bzw. im Oberflächenoxid statt? 3. Welche Informationstiefe ergibt sich für Oberflächenoxide und Sauerstoffadsorption an der Oberfläche? 4. Unter welchen Bedingungen ist es möglich, die Konzentrationen von Sauerstoff und Oberflächenatomen quantitativ zu bestimmen? Die zu erwarteten Ergebnisse werden einen wesentlichen Fortschritt im physikalischen Verständnis der Ionen- Festkörper Wechselwirkung darstellen. Ein tieferes Verständnis, das zu quantitative Vorhersagen von Ladungsaustauschwahrscheinlichkeiten in LEIS-Experimenten führt, wäre äußerst wünschenswert. Außerdem werden die Ergebnisse auch für vielfältige technologische Anwendungen wie Ionenimplantation und Fusionsforschung von großem Interesse sein.

Ziel unserer Forschungsaktivität war, verschiedene Aspekte der Wechselwirkung von Ionen in Festkörpern und an deren Oberflächen besser zu verstehen. Wir haben beispielsweise die Abbremsung von Ionen in stickstoff- und sauerstoffhaltigen chemischen Verbindungen untersucht. Das wesentliche Ergebnis ist, dass die Abbremsung langsamer Wasserstoff- und Heliumionen in Oxiden praktisch nur durch Elektronen erfolgt, die am Sauerstoff lokalisiert sind. Bei den Stickstoff-Verbindungen ist das Abbremsverhalten unterschiedlich. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Primetzhofer an der Universität Uppsala wurden Abbremsexperimente für schwerere Ionen (Bor, Stickstoff, Neon, Aluminium) durchgeführt. Das Hauptergebnis dieser Messungen ist, dass das bisher als zuverlässig erachtete Modell der Abbremsung schwerer Ionen unrealistisch ist und von Grund auf verbessert werden muss, um realistische Vorhersagen für die Abbremsung in neu entwickelten Materialien machen zu können. Diese Information ist für die Materialanalytik wichtig, die häufig auf der Anwendung von Ionenstrahlen basiert. In dieser Anwendung ist die genaue Kenntnis der Bremskraft für die Bestimmung der Schichtdicken unabdinglich. Weil unsere Experimente sowohl für das grundlegende Verständnis der physikalischen Prozesse wesentliche Ergebnisse erbracht haben als auch für die angewandte Forschung bedeutend sind, haben wir die Resultate in hochrangigen Journalen mit großem Impact publiziert. Als zweiten Schwerpunkt unserer Forschung untersuchten wir im Rahmen dieses Projekts systematisch wie Neutralisation und Ionisation von langsamen Helium-Projektilen an Metalloberflächen durch die Anwesenheit von Sauerstoff beeinflusst wird. Für die quantitative Oberflächenanalytik im Rahmen der Niederenergie-Ionenstreuung (LEIS) ist es wichtig zu wissen, wie groß bei den an der Oberfläche rückgestreuten Heliumprojektile der Ionenanteil ist. Es gibt für diesen Ionenanteil empirische Modelle und auch Ansätze einer theoretischen Beschreibung, das Verständnis der grundlegenden Prozesse ist aber noch begrenzt. Wir haben daher verschiedene Aspekte der Quantifizierung von LEIS untersucht, beispielsweise die Frage nach der Informationstiefe, weil es für die Anwendung wesentlich ist, ob nur die äußerste Atomlage zur gemessenen Information beiträgt oder auch Atomlagen unterhalb der Oberfläche. Wir haben auch ausführlich untersucht, wie sich die Anwesenheit von Sauerstoff auf Metalloberflächen auf das komplexe Wechselspiel der verschiedenen Mechanismen des Ladungsaustausches auswirkt. Diese Forschungstätigkeit ist noch nicht abgeschlossen und wird an der Universität Uppsala in der Gruppe von Prof. Primetzhofer weitergeführt werden.