Strukturbildung durch Selbstorganisation
Strukturbildung durch Selbstorganisation vollzieht sich in verschiedensten Systemen – geologischen, biologischen, physikalischen – und dementsprechend auf verschiedensten Längenskalen. Wir studieren die selbstorganisierte Strukturbildung, die durch Ionenbestrahlung auf Oberflächen angeregt wird.
Auf einer Oberfläche unter Ionenbestrahlung geschehen eine Vielzahl von nanoskopischen ballistischen, diffusiven und erosiven Prozessen gleichzeitig. Jeder dieser Prozesse kann für sich genommen glättend oder destabilisierend auf die Topographie der Oberfläche wirken. Aus dem balancierten Zusammenspiel dieser Prozesse können sich regelmäßige Strukturen unterschiedlicher Gestalt und Anordnung ergeben. Durch leicht zugängliche Parameter wie Oberflächentemperatur, Ionenmasse und -energie, oder Einfallswinkel können wir beeinflussen, welche Prozesse dominant wirken und damit die Strukturbildung bestimmen.
Oberflächenstrukturen von Galliumantimonid, Silizium, Germanium (v.l.) nach niederenergetischer Ionenbestrahlung. AFM-Aufnahme: Denise Erb
Forschungsbereiche
Wir befassen uns sowohl mit grundlegenden Fragen zur ioneninduzierten Strukturbildung als auch mit möglichen Anwendungen der resultierenden nanostrukturierten Oberflächen:
Ioneninduzierte Strukturbildung ist ein multifaktorieller Vorgang und es existieren verschiedene Ansätze zu seiner theoretischen Beschreibung. Durch systematische experimentelle Studien und numerische Simulationen wollen wir dazu beitragen, das Verständnis dieses komplexen Selbstorganisationsmechanismus zu vertiefen. Offene Fragen betreffen unter anderem die materialabhängigen Unterschiede in der Struktursymmetrie, die Existenz unterschiedlicher Strukturmorphologien in Abhängigkeit von verschiedenen Bestrahlungsparametern, die Dynamik der Strukturbildung, die Form und Entwicklung von Strukturdefekten, oder die Strukturbildung in Materialien mit komplexer Zusammensetzung oder Kristallstruktur.
Die Gasphasenabscheidung von Materialien auf ionenstrukturierten Oberflächen stellt einen bottom-up Ansatz zur Nanostrukturierung dieser Materialien dar. Wir untersuchen deren forminduzierte magnetische, optische, elektrische oder thermoelektrische Eigenschaften.
Methoden: Experiment und Simulation
Wir erzeugen ioneninduzierte Nanostrukturen mittels großflächiger Bestrahlung mit niederenergetischen Edelgas-Ionen. Die dazu verwendete Anlage LEI (low energy irradiation) bietet Ionenenergien von 250 eV bis 1200 eV mit Ionenflüssen bis 5x1015 cm-2s-1, polare Probenneigung bis 90°, Probenheizung bis 600°C, für Probengrößen bis 10 mm x 10 mm.
Die nanostrukturierten Topographien von Oberflächen mit vergleichsweise geringen Höhenunterschieden lassen sich schnell und unkompliziert per Rasterkraftmikroskopie (AFM) abbilden. Dafür steht ein Bruker Multimode8 Instrument zur Verfügung. Darüber hinaus nutzen wir als Messgäste am NSLS-II Synchrotron die Methoden GISAXS und XPCS für in-situ Experimente zur Dynamik der ioneninduzierten Strukturbildung.
Die aus der Bestrahlung resultierenden Oberflächenstrukturen können wir anhand einer Kontinuumsgleichung beschreiben und ihre zeitliche Entwicklung numerisch simulieren. Den dafür verwendeten MATLAB Code stellen wir auf Anfrage gern zur Verfügung.
Angebot für externe Forscher
Die niederenergetische Ionenbestrahlung bieten wir als Teil des HZDR Ionenstrahlzentrums auch für externe Nutzer an. Bitte nehmen Sie bei Interesse Kontakt zu uns auf!
Studentische Abschlußarbeiten
Wir bieten kontinuierlich die Möglichkeit, Bachelor-, Master-, Diplom- oder Promotionsarbeiten (letztere vorbehaltlich Finanzierung) zu Themen aus den oben genannten Bereichen anzufertigen. Voraussetzung ist ein entsprechender Studienfortschritt im Fach Physik. Bitte nehmen Sie bei Interesse Kontakt zu uns auf!
Aktuelle Kooperationen
- Theorie der ioneninduzierten Strukturbildung
- Mark R. Bradley, Colorado State University
- Daniel A. Pearson, PennState Abington
- Wachstum von katalytisch aktiven Nanostrukturen auf ionenstrukturierten Oberflächen
- Forminduzierte magnetische Eigenschaften
- Adsorption von Polymeren und Biomaterialien auf nanostrukturierten Oberflächen
- Adrian Keller, Universität Paderborn
- Felix Plamper, TU Bergakademie Freiberg
Ausgewählte Publikationen
- D.J. Erb, D.A. Pearson, T. Skeren, M. Engler, R.M. Bradley, S. Facsko: Intermediate morphology in the patterning of the crystalline Ge(001) surface induced by ion irradiation. Physical Review B 109(2024), 045439
10.1103/PhysRevB.109.045439 - B.K. Pothineni, S. Kollmann, X. Li, G. Grundmeier, D.J. Erb, A. Keller: Adsorption of Ferritin at Nanofaceted Al2O3 Surfaces. Int. J. Mol. Sci. 24 (2023) 12808
10.3390/ijms241612808 - D. Steinbach, R. Neubert, S. Gersdorf, C. Schimpf, D.J. Erb, D. Rafaja, F.A. Plamper, F. Mertens: Morphology and orientation change of layer-by-layer deposited one- and two-dimensional coordination polymer nanocrystals containing rhodium paddle-wheel units. Cryst. Eng. Comm. 25 (2023) 4568
10.1039/d3ce00721a - T. Weinert, R. Hübner, S. Facsko, D.J. Erb: Bottom-up fabrication of FeSb2 nanowires on crystalline GaAs substrates with ion-induced pre-patterning. Front. Phys. 11:1149608 (2023)
10.3389/fphy.2023.1149608 - D.J. Erb, J. Perlich, S. Roth, R. Röhlsberger, K. Schlage: Real-Time Observation of Temperature-Induced Surface Nanofaceting in M-Plane α-Al2O3. ACS Applied Materials and Interfaces 14 (2022) 27, 31373-31384.
10.1021/acsami.1c22029 - D.J. Erb, P. Myint, K. Evans-Lutterodt, K. Ludwig, S. Facsko: In-situ GISAXS observation of ion-induced nanoscale pattern formation on crystalline Ge(001) in the reverse epitaxy regime. Phys. Rev. B 104 (2021) 235434.
10.1103/PhysRevB.104.235434 - T. Seidel: Charakterisierung von thermoelektrischen Nanostrukturen auf Substraten mit ioneninduzierter Vorstrukturierung. Diplomarbeit TU Dresden (2021)
- P. Myint, D.J. Erb, X. Zhang, L. Wiegart, Y. Zhang, A. Fluerasu, R.L. Headrick, S. Facsko, K.F. Ludwig: Measurement of Ehrlich-Schwoebel barrier contribution to the self-organized formation of ordered surface patterns on Ge(001). Phys. Rev. B 102 (2020) 201404(R)
10.1103/PhysRevB.102.201404 - D.J. Erb, R. de Schultz, A. Ilinov, K. Nordlund, R. M. Bradley, S. Facsko: Nanopatterning of the (001) surface of crystalline Ge by ion irradiation at off-normal incidence: Experiment and simulation. Phys. Rev. B 102 (2020) 165422
10.1103/PhysRevB.102.165422 - R. de Schultz: Ion-Induced Surface nanostructures of Germanium(001), Masterarbeit TU Dresden (2018)
- G. Malsch: Untersuchung der topologischen Defekte in Oberflächenstrukturen auf GaAs und InAs unter niedrig-energetischem Ionenbeschuss, Masterarbeit TU Dresden (2017)
- D. Gkougkou, Polarization- and Wavelength-Dependent Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Using Optically Anisotropic Rippled Substrates for Sensing, ACS Sensors 1 (2016) 318-323
10.1021/acssensors.5b00176 - D. K. Ball, K. Lenz, M. Fritzsche, G. Varvaro, S. Günther, P. Krone, D. Makarov, A. Mücklich, S. Facsko, J. Fassbender, M. Albrecht, Magnetic properties of granular CoCrPt:SiO2 thin films deposited on GaSb nanocones, Nanotechnology 25 (2014) 085703
10.1088/0957-4484/25/8/085703 - X. Ou, K.-H. Heinig, R. Hübner, J. Grenzer, X. Wang, M. Helm, J. Fassbender, S. Facsko, Nanoscale 7 (2015) 18928
10.1039/c5nr04297f - X. Ou, A. Keller, M. Helm, J. Fassbender, S. Facsko, Reverse Epitaxy of Ge: Ordered and Faceted Surface Patterns, Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 016101
10.1103/PhysRevLett.111.016101 - A. Keller, S. Facsko, R. Cuerno, Numerical Integrator for Continuum Equations of Surface Growth and Erosion, in: Computational Nanotechnology, edited by S. M. Musa (CRC Press, 2013), pp. 1–27
- A. Keller and S. Facsko, Ion-Induced Nanoscale Ripple Patterns on Si Surfaces: Theory and Experiment, Materials 3 (2010) 4811 – 4841
10.3390/ma3104811 - S. Facsko, T. Dekorsy, C. Koerdt, C. Trappe, H. Kurz, A. Vogt, H. L. Hartnagel, Formation of Ordered Nanoscale Semiconductor Dots by Ion Sputtering, Science 285 (1999) 1551 - 1553
10.1126/science.285.5433.1551