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ePaper created 2015-07-02, 11:05:58 | version 1.39.0
TITEL// DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 10 11 sonst auf der Welt – viel dickere Folien untersucht, sinkt diese Chance mit der Dicke immer stärker ab. Bei einer Million Schichten wird fast sicher zumindest einmal die Lücke ver- fehlt und die Statistik spricht gegen ungebremst durchschie- ßende Ionen. Da die Forscher aber nicht messen können, an welcher Schicht ein einzelnes Ion gebremst wird, registrieren sie die Ionen nur hinter der Folie. Diese sind bei normalen Ma- terialien praktisch alle stark abgebremst. Nur bei ultradünnen Folien wie denen aus Bielefeld findet ein Teil der Ionen in allen drei Atomschichten eine Lücke. Finden die Ionen in einer der drei Schichten dagegen keine Lücke, werden sie nicht nur gebremst, sondern nehmen auch sehr viele Elektronen von der Folie auf. Da jedes Xenon-Ion stark positiv geladen ist und entsprechend viele Elektronen aufsaugt, fehlen an einer kleinen Stelle der Folie schlagartig sehr viele Elektronen. Dadurch wird die Folie offensichtlich instabil und schleudert viele hundert bis zu einige tausend Atome heraus. An den Stellen, an denen ein Ion an der Folie gebremst wurde, entstehen so winzige Nanolöcher und der Ionenstrahl wandelt die Folie in ein Molekular-Sieb um. Wie diese Löcher genau entstehen, ist noch nicht endgültig geklärt. „Ich könnte mir vorstellen, dass an der Auftreffstel- le auf wenigen Quadrat-Nanometern sehr viele Elektronen abgegeben werden und sich so eine hohe positive elektrische Ladung auf einer winzigen Fläche konzentriert“, überlegt Richard Wilhelm. Diese hohe Ladungskonzentration wiederum könnte zu einer sogenannten „Coulomb-Explosion“ führen, bei der die Atome aus dieser kleinen Fläche herausgeschleudert werden und die winzigen Löcher mit wenigen Nanometern Durchmesser entstehen. Eine andere Theorie vermutet, dass die gewaltige Energie, die in den extrem stark geladenen, auftreffenden Ionen steckt, die kleine Fläche so stark aufheizt, dass dort das Material ver- dampft und so ebenfalls ein Nanoloch zurückbleibt. Unabhän- gig vom genauen Mechanismus, mit dem die winzigen Löcher entstehen, klingt eine weitere Beobachtung interessant: Je stärker die Xenon-Ionen positiv geladen sind, umso mehr von ihnen scheinen hängen zu bleiben und dabei ein Nanoloch in die Folie zu reißen. Eine hohe Ionenladung perforiert daher die Folie wirkungsvoller mit Löchern einer gut bestimmten Nano- Größe. Da Richard Wilhelm und seine Kollegen wiederum die Ladung der Xenon-Ionen einstellen können, lassen sich mit den HZDR-Ionenstrahlen Nanosiebe nach Maß herstellen. Die Grundlagenforscher haben damit ein Rezept für hohe Präzisi- on in der recht praktischen Herstellung von Molekularsieben. PUBLIKATIONEN: R. Wilhelm, E. Gruber u. a.: “Charge exchange and energy loss of slow highly charged ions in 1 nm thick carbon nano- membranes”, in Physical Review Letters 2014 (DOI: 10.1103/ PhysRevLett.112.153201) R. Ritter, R.A. Wilhelm u. a.: “Fabrication of nanopores in 1 nm thick carbon nanomembranes with slow highly charged ions”, in Applied Physics Letters 2013 (DOI: 10.1063/1.4792511) KONTAKT _Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR Dr. Richard A. Wilhelm r.wilhelm@hzdr.de NANOSTRUKTUREN: Wie Präzisions- geschosse können mit dieser Anlage in Zukunft einzelne Ionen in eine nur wenige Quadrat-Nanometer große Oberfläche implantiert werden. Richard Wilhelm (li.) und René Heller richten den Ionenstrahl dafür aus. Foto: Frank Bierstedt