Grundverständnisse
Was sind Atome?Ein Atom ist das kleinste, mit chemischen Mitteln nicht weiter spaltbare Teilchen eines chemischen Elementes. Jedes Atom besteht aus einem elektrisch positiv geladenem Kern und einer Hülle aus elektrisch negativ geladenen Elektronen. Nach außen ist das Atom neutral, da die Zahl der Protonen im Kern und der Elektronen in der Hülle gleich sind. Der Atomkern ist etwa 10000 mal kleiner als die Atomhülle und macht trotzdem 99% des gesamten Atomgewichtes aus. |
Was sind Ionen?Ionen sind einfach oder mehrfach positiv oder negativ geladene Atome oder Atomgruppen. Durch Entfernen oder Hinzufügen von Elektronen wird das Atom zum nach außen positiv oder negativ geladen Ion. |
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Beschleunigung im elektrischen FeldWirkt auf ein elektrisch geladenes Teilchen ein elektrisches Feld, so erfährt dieses eine Beschleunigung. Positiv geladene Teilchen werden zum negativen Pol und negativ geladene Teilchen zum positiven Pol beschleunigt. Dabei erhält das beschleunigte Teilchen kinetische Energie, die von der potentiellen Energie im elektrischen Feldes aufgebracht wird. Es gilt:Beispiel: An einen Plattenkondensator wird eine Spannung U angeschlossen. Es bildet sich ein elektrisches Feld zwischen den Kondensatorplatten aus. Wird jetzt eine positive geladenes Ion am Ort der positiv geladenen Kondensatorplatte in das Feld gebracht, so wird es mit der Kraft F zur negativ geladenen Platte beschleunigt. Dabei wird die Beschleunigungsarbeit W verrichtet. Die Arbeit berechnet sich aus: Mit der obrigen Formel für die Kraft folgt: |
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Ablenkung im magnetischen FeldBewegt sich ein geladenes Teilchen durch ein magnetisches Feld mit der Feldstärke B, dann wirkt auf dieses die Lorentz-Kraft F. Das geladene Teilchen wird auf eine Kreisbahn gezwungen. Die kinetische Energie des Teilchens bleibt dabei jedoch konstant. Es gilt: |
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Grundlagen der Ionen-Festkörper-WechselwirkungUm diesen Sachverhalt besser erklären zu können, nutzen wir folgendes Modell: |
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Unter Benutzung dieser mathematischen Zusammenhänge kann man aus einem Anfangszustand auch den Endzustand berechnen, das heißt den Endimpuls und die kinetische Endenergie. |
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StoßbeispieleAlles, was anhand dieses Modells gezeigt wurde, lässt sich annähernd auf die Ionen-Festkörper-Wechselwirkung übertragen. |
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Der Aufbau von MaterialienAlle Festkörper sind aus Atomen aufgebaut. Man unterscheidet zwei verschiedene Arten von Festkörpern, je nach Anordnung der Atome. Zum einen diejenigen, die eine regelmäßige Anordnung haben und somit ein Atomgitter oder Kristall bilden. Zum anderen jene, die weniger regelmäßig angeordnet sind und kein so regelmäßig geordnetes Gitter besitzen. Diese werden amorphe Festkörper genannt. |
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Basisprozesse der Ionen-Festkörper-WechselwirkungDurch den Einschuss von Ionen in ein Atomgitter werden die Atome aus ihrem Gitterplatz heraus gestoßen. Man kann sich das in etwa so vorstellen, dass die Atome in einer kleinen Mulde liegen. Wenn genügend Kraft auf das Atom wirkt, verlässt es diese Mulde und wird selbst ein Stoßkörper. Das Atom vollführt nun selbst Stöße mit anderen Atomen. Diesen Vorgang nennt man Stoßkaskade. Es können Atom verlagert werden, dabei tauschen sie untereinander oder mit den eingeschossenen Ionen die Gitterplätze. Weiterhin können Leerstellen gebildet werden und dadurch auch so genannte Zwischengitteratome entstehen. Es ist möglich, dass Atome aus der Oberfläche heraus gestoßen werden. Diesen Vorgang nennt man Zerstäuben(4). Zur Veranschaulichung dieser Prozesse hilft uns auch hier unser Modell der harten Kugeln(5), das Ionenbillard. Hinter den Bildern, die einen Billardtisch zeigen, sind kurze Videosequenzen hinterlegt. Sie zeigen den jewiligen physikalischen Prozess im Modell des Ionenbillards. |
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Daraus resultierende Prozesse sind: |
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Ionenmischen: Dieser Effekt beruht auf der räumlichen Verlagerung von Atomen innerhalb einer Stoßkaskade. Besonderes Augenmerk liegt dabei bei mehrkomponentigen Substanzen z.B. dünne Schichten auf einem Substrat oder Mehrschichtsystemen. Dieser Effekt ist von hoher Bedeutung für die ionengestützte Schichtabscheidung. Auch hier unterscheidet man drei Prozesse. Dabei soll eine dünne Schicht (die Markeratome) in ein Atomgitter (die Matrixatome) eingebracht sein. Mögliche Fälle sind: |
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Ionenimplantation: Ein Verfahren, womit durch das Einbringen von Fremdatomen in ein Substrat, die Eigenschaften ( elektrische, optische und mechanische Eigenschaften ) verschiedener Materialien gezielt verändern werden können. |
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Channeling: Als Channeling bezeichnet man das durch den Kanal wandern der Ionen. Das funktioniert nur bei Festkörpern, die eine kristalline Struktur haben. Bei den Amorphen würde das nicht funktionieren, da es keine Kanäle zwischen den Atomen gibt. Die Wechselwirkungen sind so gering, dass die Ionen nur geringfügig von ihrer Bahn abgelenkt werden. |
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Zusammenfassung der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung |
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Energieverlust: Wenn ein Ion durch ein Atomgitter geschossen wird, ohne mit einem Atomkern zu kollidieren, verliert es trotzdem Energie. Denn die Elektronen in der Elektronenhülle der Gitteratome bremsen das Ion ab. Ein einzelnes nur wenig, aber auf Grund ihrer Anzahl wird das Ion relativ schnell abgebremst. Die Energie des Ions wird dadurch immer kleiner. |
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Streuung des Ions: Wenn ein Ion in ein Atomgitter eindringt und auf ein Atom trifft, dann wird es aus seiner Bahn gelenkt und fliegt in eine andere Richtung weiter. Das Atom wird ebenfalls von seinem Gitterplatz gestoßen und stößt danach selber andere Atome an. |
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Ladungsänderung des Ions: Wenn sich ein Ion durch ein Atomgitter bewegt, dann kann es passieren, dass das Ion Elektronen von/in seiner Elektronenhülle verliert/einfängt. Dies kann beim Zusammenstoß mit Elektronen von der Elektronenhülle eines Gitteratoms passieren. Das Ion ist nachher anders positiv geladen. |
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Verlagerung von Atomen: Wenn sich ein Ion durch ein Atomgitter bewegt, kann es passieren, dass es gegen mehrere Atome fliegt und diese von ihren Gitterplätzen wegstößt. Diese Atome stoßen wiederum auch andere Atome an. Die Oberfläche des Stoffes wird zerstört. Dies funktioniert jedoch nur, wenn die Masse des Ions keinen großen Unterschied zur Masse des Atoms aufweist. |
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Ionisation von Atomen: Wenn ein Ion an einem Atomkern vorbeifliegt, trifft es trotzdem die Elektronenhülle. Dabei kann das Ion ein paar Elektronen, die eine viel kleinere Masse haben, einfach aus der Elektronenhülle heraus stoßen. Das bewirkt natürlich, dass das Atom nach außen nicht mehr neutral geladen ist, sondern positiv. Werden heraus gestoßene Elektronen wieder eingefangen, kann Röntgenstrahlung emittiert werden. |
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Kernreaktion: Wenn ein Ion in ein Atomgitter eindringt und einen Atomkern trifft, kann es unter bestimmten Voraussetzungen zur Kernreaktion kommen. Das heißt, dass der Kern des Ions mit dem Kern des Atoms verschmilzt. Bei diesem Vorgang werden Gamma-Strahlen freigesetzt. |
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