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Dr. Stefan Facsko
Head IBA/OSA
Head Ion Induced Nanostructures
s.facskoAthzdr.de
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Inverse Ostwaldreifung

Ensemble gleichgroßer Nanoteilchen sind für viele Anwendungen erwünscht. Das liegt daran, dass die optische Lumineszenz-Wellenlänge oder das Potential der Coulomb-Blockade stark größenabhängig sind. Deshalb behindern breite Größenverteilungen die Entwicklung neuartiger Bauelemente wie integrierte CMOS-kompatible Laser auf der Basis von winzigen Siliziumkristallen oder die Herstellung nichtflüchtiger Nanocluster-Halbleiterspeicher.

Wegen grundsätzlicher physikalischer Gesetzmäßigkeiten liefern technologisch effektive Nanoteilchen-Herstellungsverfahren wie die Ionenstrahlsynthese nur breite Nanoteilchen-Größenverteilungen. Nanoteilchen entstehen hier durch räumlich und zeitlich statistisch verteilte Keimbildung. Weitere Temperaturbehandlung führt zur Ostwald-Reifung mit der typischen, breiten LSW-Größenverteilung.

Konventionelle vs. Inverse Ostwaldreifung

Inverse Ostwald-Reifung unter Ionenbestrahlung: Die thermisch aktivierte konventionelle Ostwald-Reifung basiert auf der Gibbs-Thomson-Gleichung, d.h. auf der teilchengrößenabhängigen Löslichkeit von Nanoteilchen-atomen im Substrat (z.B. Gold-Löslichkeit in Quarzglas für Au-Nanoteilchen in SiO2). Durch die Löslichkeitsdifferenz kommt es zur Ostwald-Reifung: Gelöste Atome diffundieren von kleinen zu großen Nanoteilchen (siehe Pfeile in (a)), was zu einer Vergrößerung des mittleren Teilchenradius führt (b). Nanoteilchen in einer ionendurchstrahlten Oberflächenschicht (c) sind Stoßkaskaden ausgesetzt, in der die Flugrichtungen der niederenergetischen Rückstoßatome näherungsweise isotrop im Raum verteilt sind (grüne Spuren in (d)). Am FZD wurde durch Lösung eines analytischen mathematischen Modells und durch kinetische Monte-Carlo-Simulationen entdeckt, dass sich unter Ionenbestrahlung der Diffusionsstrom umkehren kann, d.h. von großen zu kleinen Teilchen gerichtet ist (siehe Pfeile in (d)). Unter diesen Bedingungen ändert sich der mittlere Teilchenradius nicht, und die Teilchengrößenverteilung kann sehr schmal werden (inverse Ostwald-Reifung, (e)).


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