Mit energiereichen Ionen lassen sich erstaunliche Nanostrukturen auf Kristalloberflächen erzeugen. Experimente und Berechnungen der TU Wien können diese Effekte nun erklären.

Ein Meteorit, der in flachem Winkel auf die Erde trifft, kann gewaltige Verwüstungen anrichten: Er schrammt über die Erdoberfläche und legt oft eine lange Strecke zurück, bevor er sich endgültig in den Boden bohrt. Dort wo er aufschlägt, kann er das Gestein vaporisieren und große Materialmengen aufschmelzen. Am Ende bleibt nicht nur ein Krater oder ein Schutthaufen zurück, sondern auch noch eine ausgedehnte Spur der Verwüstung, vor und hinter der Einschlagstelle.

Ganz ähnlich verhält es sich mit schweren Ionen, die mit hoher Geschwindigkeit auf eine Kristalloberfläche geschossen werden – allerdings auf mikroskopischer Skala. Am Institut für Angewandte Physik der TU Wien untersucht das Team von Prof. Friedrich Aumayr, welche Strukturen sich bilden lassen, wenn man Ionen in flachem Winkel auf Kristalle schießt.

Elisabeth Gruber im Labor an der TU Wien © TU WienElisabeth Gruber im Labor an der TU Wien © TU Wien

Rillen und Berge

„Wenn wir die Oberfläche der Kristalle mit einem Rasterkraftmikroskop untersuchen, dann erkennen wir sehr deutliche Parallelen zwischen den Spuren der Ionen-Einschläge und einem Meteoriten-Impakt“, sagt Elisabeth Gruber, Dissertantin im Team von Friedrich Aumayr. „Das unter sehr flachem Winkel einfallende Projektil gräbt zunächst eine Rille in den Kristall, die mehrere hundert Nanometer lang sein kann. Rechts und links davon werden winzige Hügel aufgehäuft, die sogenannten Nanohillocks.“ Dort, wo das Ion dann endgültig unter der Kristalloberfläche verschwindet, bildet sich eine besonders hohe Erhebung. Dahinter kann man den Weg des Projektils noch ein Stück anhand einer Oberflächenerhebung verfolgen, bis es schließlich tiefer in den Kristall eindringt und dann zum Stillstand kommt.

Das klingt intuitiv recht einleuchtend – als könnte man sich Ionen mit hoher Energie vorstellen wie kleine, elektrisch geladene Pistolenkugeln. Doch in Wirklichkeit ist es alles andere als selbstverständlich, dass sich Objekte der Nano-Welt ähnlich verhalten wie große Alltagsobjekte. Wenn es darum geht, wie einzelne Atome ihre Energie untereinander austauschen hat schließlich auch die Quantenphysik ein gewichtiges Wort mitzureden.

„Bei der Wechselwirkung energiereicher Ionen mit Kristalloberflächen – in unserem Fall Kalziumfluorid – können viele verschiedene physikalische Effekte eine Rolle spielen“, sagt Friedrich Aumayr. „So können etwa einzelne Elektronen ihren Energiezustand wechseln, dadurch Energie mit Atomen der Umgebung austauschen und so im Kristall Schwingungen anregen - die sogenannten Phononen. All das muss man berücksichtigen, wenn man diese Art der Nanostrukturbildung untersucht.“

Schmelzen und Verdampfen

Um die Mechanismen genau zu verstehen, die zur Bildung der Nanostrukturen auf der Kristalloberfläche führen, entwickelte das Team in Zusammenarbeit mir deutschen Kollegen umfangreiche Simulationsrechnungen. „Wir sehen dadurch, wie stark sich die Oberfläche an welchen Stellen aufheizt“, erklärt Elisabeth Gruber. „In manchen Bereichen wird es so heiß, dass das Material aufgeschmolzen wird, an bestimmten Stellen kann es sogar verdampfen. Wenn wir wissen, wie groß diese Regionen jeweils sind, können wir auch gut vorhersagen, welche Nanostrukturen sich auf der Oberfläche bilden.“

Solche Forschungsarbeiten dienen nicht nur dazu, besser zu verstehen, wie man Nanostrukturen auf Oberflächen gezielt herstellen kann. Es ist auch wichtig zu untersuchen, wie Materialien durch unerwünschten Ionenbeschuss geschädigt werden. „Kalziumfluorid wird oft als Isolator in der Halbleitertechnik verwendet“, sagt Friedrich Aumayr. „Auch unter extremen Bedingungen, zum Beispiel in Satelliten, die der kosmischen Höhenstrahlung ausgesetzt sind, soll die Elektronik noch funktionieren.“ Wenn das Kalziumfluorid durch Ionenbeschuss durchlöchert wird, kann es im schlimmsten Fall zu einem Kurzschluss und zu einer Zerstörung des Bauteils kommen. Daher ist es wichtig, die Wechselwirkung zwischen Kristalloberflächen und Ionen genau zu untersuchen.

Originalpublikation:
E. Gruber et al., Journal of Physics: Condensed Matter 28 (2016) 405001

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