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Dr. Stefan Facsko
Head IBA/OSA
Head Ion Induced Nanostructures
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Highly Charged Ions Facilities

Two-source facility

SNIPER

Potentieller Energieeintrag

Während der Wechselwirkung hochgeladenen Ionen mit einer Festkörperoberfläche wird der Großteil der potentiellen Energie in der Oberfläche deponiert. Der verbleibende Anteil potentieller Energie wird in Form von Sekundär-Elektronen sowie Röntgenquanten emittiert. Das Verhältnis zwischen diesen beiden konkurrierenden Prozessen wurde experimentell durch kalorimetrische Messungen an der Rossendorfer Zweiquellen-Ionenstrahl-Anlage bestimmt.

Mit einem kalorimetrischen Aufbau wurde durch hochgenaue Messung der Temperaturzunahme der Probe während der Bestrahlung mit mehrfach- bzw. hochgeladenen Ionen der absolute Betrag der eingetragenen Energie in die Oberfläche bestimmt. Für Arq+-Ionen (q=1 bis 11) wird dieser Betrag für kinetischen Energien zwischen q*60 eV und q*200 eV gemessen und anschließend zu Ekin = 0 extrapoliert. Damit erhält man für jeden Ladungszustand den genauen Anteil an deponierter potentieller Energie. Zur Kalibrierung der kalorimetrischen Messanordnung wird ein Heizelement benutzt. Dabei wird der Temperaturanstieg in Abhängigkeit von der elektrischen Heizleistung bestimmt. Unter der Annahme, dass die elektrische Leistung äquivalent zu der durch das Ion eingetragenen Leistung ist, kann die Temperaturerhöhung der Probe durch den Ionenbeschuß direkt in eine eingetragene Energie umgerechnet werden.

Der so bestimmte Anteil eingetragener potentieller Energie für Argon-Ionen verschiedener Ladungszustände ergab einen Mittelwert von 0.8±0.2 mit leichtem Abfall für steigenden Ladungszustand (Fig. 1). Zur Bestätigung dieser Vermutung wurden am Hahn-Meitner-Institut Berlin energieaufgelöste Sekundärelektronenspektren während der Ionenbestrahlung gemessen. Es zeigte sich, dass für mehrfachgeladene Arq+ Ionen die fehlende Energie (~20%) zum Großteil durch die Sekundärelektronen emittiert wird.  In zukünftigen Untersuchen soll der Anteil der eingetragenen potentiellen Energie auch für höher geladene und schwere Ionen (z.B. Kr, Xe) bestimmt werden. Es wird erwartet, dass für derartige Projektile der Anteil an emittierter Energie zunimmt und zusätzlich die Energieemission durch Röntgenstrahlung bedeutsam wird.

Relativer Betrag eingetragener potentieller Energie Emittierte Potentielle Energie
Fig. 1: Eingetragener Anteil der potentiellen Energie für die Wechselwirkung von Arq+ Ionen mit Kupfer und Siliziumoberflächen. Fig.2: Emittierter Anteil der potentiellen Energie bei der Wechselwirkung von Arq+ Ionen mit Kupfer, Si- und SiO2-Oberflächen.