Wechselwirkung langsamer hochgeladener Ionen mit Ionenkristalloberflächen und ultradünnen Kohlenstoffmembranen

In der vorliegenden Arbeit wurde die Strukturbildung durch Einzeleinschlag von langsamen hochgeladenen Ionen (v < 5·10^5 m/s, Q < 40) auf Ionenkristalloberflächen und freistehenden amorphen Kohlenstofffolien untersucht. Mittels experimenteller Methoden der Rasterkraft-, Transmissionselektronen- und Heliumionenmikroskopie wurden die in jüngster Zeit gewonnenen Modellbeschreibungen für Nanostrukturbildung an Oberflächen erweitert. Beim Auftreffen eines langsamen hochgeladenen Ions auf die (001)-Oberfläche von KCl können Nanostrukturen mit Ausdehnungen bis zu einigen 10nm entstehen. Die damit verknüpften Desorptionsausbeuten von bis zu 3000 Atomen pro Ion aus der Oberfläche werden vor allem durch die Deposition der potentiellen Energie in sehr oberflächennahe Schichten erklärt. Die kinetische Energie der Ionen wirkt jedoch unterstützend auf die Entstehung und Vergrößerung der Lochstrukturen. Die Entstehung der Strukturen durch die potentielle Energie kann konsistent im Bild der defektinduzierten Desorption erklärt werden.
Für die CaF2(111)-Oberfläche konnte gezeigt werden, dass auch unter ununterbrochenen Ultrahochvakuumbedingungen Nanohügel durch Ionenbeschuss erzeugt werden können. Die Größenverteilung beobachteter Nanohügel ist dabei jedoch um einen Faktor 3 kleiner im Vergleich zu atmosphärenexponierten Proben. Der Einfluss der Atmosphäre auf die beobachteten Strukturgrößen wird diskutiert. Für niedrigere Ladungszustände als nötig für Nanohügelerzeugung wurden ioneninduzierte Kristalldefekte durch nasschemisches Ätzen der Oberfläche nachgewiesen. Diese Tatsache verbindet die Beschreibung der Strukturbildung durch elektronische Anregungen in Alkali- und Erdalkalihaliden.
Für den Durchgang von hochgeladenen Ionen durch 1 nm dicke, freistehende und amorphe Kohlenstofffolien zeigte sich, dass Poren durch Einzelioneneinschlag entstehen, sobald ein Schwellwert von etwa Q = 25 in der Ionenladung überschritten wurde. Erstmalig konnte gezeigt werden, dass sich bei der Transmission der Ionen zwei unterschiedliche Ladungszustandsverteilungen bilden. Die Ausbildung der beiden Verteilungen wird durch einen stark stoßparameterabhängigen Ladungsaustausch beschrieben. Neben dem Einfluss der potentiellen Energie bei der Porenbildung ist auch der Einfluss der kinetischen Energie untersucht worden. Um den Anteil nuklearer und elektronischer kinetischer Energieverluste in Abhängigkeit des Ionenladungszustandes abzuschätzen, wurde ein Modell im Rahmen der Beschreibung statistischer Atome bzw. Ionen aufgestellt. Auf Basis dieses Modells wird der Einfluss der kinetischen Energiedeposition und die damit verbunde- ne Synergie aus potentieller und kinetischer Energie bei der Strukturbildung diskutiert.

The formation of nano-structures due to the impact of individual slow highly charged ions (v < 5 · 105 m/s, Q < 40) on surfaces of ionic crystals and 1 nm thick, freestanding and amorphous carbon membranes is investigated in this work. By an experimental approach using atomic force, transmission elec- tron and helium ion microscopy recent model descriptions for the formation processes of highly charged ion induced nano-structures are expanded. Upon impact of slow highly charged ions on the (001)-surface of KCl pit-like structures with sizes up to a few 10nm are found. The corresponding desorption yields of a few thousand atoms per ion are mainly attributed to the deposition of potential energy in a shallow region near the surface. The kinetic energy has only a minor effect on the formation processes. The structure formation due to potential energy deposition is described consis- tently in the framework of a defect induced desorption model.
For the CaF2(111) surface it is shown, that even without breaking the vac- uum between irradiation and analyses ion induced nano-hillocks are present. However, the sizes of the nano-hillocks are about a factor of 3 smaller than the sizes after exposure to atmosphere. The influence of the atmosphere conditions on the structure sizes is discussed. For lower charge states than needed for nano-hillock formation ion-induced defects are revealed by wet- chemical etching of the exposed surfaces. The existence of defects for lower charge states combines the model descriptions of nano-structure formation by strong electronic excitations for alkali and earth-alkali halide surfaces. Pore formation due to highly charged ion impact on 1 nm thick, freestanding and amorphous carbon films is observed for ions with a charge state above a threshold of about Q = 25. It has been shown for the first time that two distinct exit charge state distributions are formed upon transmission of the ions through the membrane. The formation of the distributions is explained
by a strongly impact parameter dependent charge exchange. Besides the influence of the potential energy on the pore formation also the importance of the kinetic energy is investigated. To distinguish between nuclear and electronic losses in the case of highly charged ions at low velocities a model for charge state dependent energy loss is proposed. Based on the descrip- tion of statistical atoms and ions, respectively, the synergy of potential and kinetic energy upon nano-structure formation is discussed.