Festkörperanalyse mit energiereichen Teilchen

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1 Festkörperanalyse mit energiereichen Teilchen 1.1 Grundlagen der Ion-Festkörper-Wechselwirkung 1.2 Experimentelle Ausstattung 1.3 Methoden der Ionenstrahlanalyse 1.4 Sekundärionenmassenspektrometrie 1.5 Neutronenstreuung Dr. Frank Schrempel Phone:

2 Festkörperanalyse mit energiereichen Teilchen Grundlegende Prozesse Abb. FZ Rossendorf

3 Festkörperanalyse mit energiereichen Teilchen Anwendung von Ionenstrahlen Sputtern (ev kev) Absorption (kev) Streuung, Anregung (kev MeV) Aufschmelzen (MeV GeV) HMI Berlin Materialabtragung Strukturierung Glättung Ionenquellen Analyse (SIMS) Ionenimplantation Dotierung Schädigung Ionenstrahlanalyse Stöchiometrie Kristallqualität Ionenspuren Nanoporen

4 Festkörperanalyse mit energiereichen Teilchen Literatur [1] G. Götz, K. Gärtner High Energy Ion Beam Analysis of Solids Akademie-Verlag (1988) [2] J.R. Tesmer, M. Nastasie Handbook of modern ion beam materials analysis Materials Research Society (2010) [3] S.A.E. Johansson, J.L. Campbell PIXE: A Novel Technique for Elemental Analysis John Wiley & Sons (1988) [4] K.N. Tu, R. Rosenberg Analytical Techniques for Thin Films Academic Press (1988) [5] Y.-H. Ohtsuki Charged Beam Interaction with Solids Taylor and Francis Ltd. (1983) [6] H.O. Brünner, J. Heydenreich, K.H. Krebs Festkörperanalyse mit Elektronen, Ionen und Röntgenstrahlen Deutscher Verlag der Wissenschaften (1980)

5 KAPITEL 1 Grundlagen der Ion-Festkörper-Wechselwirkung 1.1 Wechselwirkungsprozesse 1.2 Amorphe Festkörper 1.3 Einkristalline Festkörper

6 1.1 Wechselwirkungsprozesse Nukleare Wechselwirkung Elektronische Wechselwirkung Zusammenfassung

7 7 Charakteristische Größen De-Broglie-Wellenlänge Wechselwirkungszeit 1E debroglie wavelength [nm] 1E-3 1E-4 He ions interaction time [s] 1E-15 1E-16 He ions 1E-17 1E-5 1E ion energy [kev] 1E ion energy [kev]

8 Nukleare Wechselwirkung Elektronische Wechselwirkung Elastische Streuung der Ionen S n Anregung des Elektronensystems S e Energie E Ion Stoßparameter s ϑ(s) Bewegung des Atoms E-T n (s) Energie E Ion Stoßparameter s Ionisation des Atoms E-T e (s) Anregung des Atoms Bremsquerschnitt: S = dσ T dσ differentieller Wirkungsquerschnitt T auf Targetatom übertragene Energie dσ, T und damit S abhängig von: - Massen von Ion und Target, M 1 und M 2 - Ordnungszahlen von Ion und Target, Z 1 und Z 2 - Ionenenergie E

9 Interatomares Wechselwirkungspotenzial Abschirmfunktionen für universale Wechselwirkungspotenziale aus [1]

10 Stoßkinematik Streuung eines Ions der Geschwindigkeit v an einem ruhenden Atom aus [1]

11 Stoßdynamik, Wirkungsquerschnitt Streuung eines Ions der Geschwindigkeit v an einem ruhenden Atom

12 Übertragene Energie und differentieller Wirkungsquerschnitt aus [1]

13 1.2 Amorphe Festkörper Mittlerer Energieverlust Nuklearer Energieverlust Elektronischer Energieverlust

14 Nuklearer Energieverlust als Funktion der Ionenenergie

15 Mittleres Anregungspotenzial der Elemente

16 Elektronischer Energieverlust bei kleinen Energien Firsov-Theorie Lindhard-Scharff-Theorie aus [1] aus [1]

17 Elektronischer Energieverlust als Funktion der Ionenenergie

18 Energieverluste als Funktion der Ionenenergie Energieverlust pro Ion und Weglänge: de = dx NS N - atomare Dichte des Targets S - Bremsquerschnitt pro Atom Gesamtenergieverlust: de dx = NS n + NS e

19 1.3 Einkristalline Festkörper Korrelationseffekte Axiale Kanalisierung

20 Blockierung Winkelverteilung rückgestreuter Ionen

21 Blockierung Einschuss in zufälliger Richtung (random) Protonogramm Aussage über Kristallstruktur

22 Kanalisierung Winkelverteilung

23 Kanalisierung Einschuss in ausgezeichnete Kristallrichtung theoretische Beschreibung Aussage über Defekte