Musterbildung und Oberflächenanalytik

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.

Weiterführende Informationen.

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.

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Methoden

Ioneninduzierte Strukturbildung: 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. Zudem stehen darin drei Verdampferquellen für die Abscheidung von metallischen Dünnfilmen zur Verfügung.
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.

Oberflächenanalytik:

AFM – Die nanostrukturierten Topographien von Oberflächen mit vergleichsweise geringen Höhenunterschieden lassen sich schnell und unkompliziert per Rasterkraftmikroskopie abbilden.
SEM – Die Rasterelektronenmikroskopie eignet sich insbesondere für Oberflächen mit starken Höhenunterschieden oder Überhängen.
XPS – Elementselektive Erosion bei der Ionenbestrahlung kann die Zusammensetzung der bestrahlten Oberfläche verändern; Röntgenphotoelektronenspektroskopie dient zur Bestimmung der mittleren chemischen Komposition von Oberflächenbereichen mit einer Größe von einigen Quadratmillimetern.
AES – Auger-Elektronenspektroskopie nutzt den Elektronenstrahl des SEM zur Anregung und kann daher zur Bestimmung der Oberflächenzusammensetzung mit hoher lateraler Auflösung bis 5 nm genutzt werden.
CL – Kathodolumineszenz ermöglicht die Bestimmung der lokalen optischen Eigenschaften und erlaubt somit u. a. Rückschlüsse auf die Dichte von Gitterdefekten in einem kristallinen Material, z. B. nach Ionenbestrahlung oder Dotierung.

Für AFM steht ein Bruker Multimode8 Instrument zur Verfügung
SEM, XPS, AES, CL sind im NanoSAM Lab S Instrument vereint, wodurch eine korrelative Oberflächenanalytik mit diesen Methoden ermöglicht wird.
Darüber hinaus nutzen wir als Messgäste am NSLS-II Synchrotron die Methoden GISAXS und XPCS für in-situ Experimente zur Dynamik der ioneninduzierten Strukturbildung.

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Angebot für externe Forscher

Die niederenergetische Ionenbestrahlung sowie alle oben genannten Methoden zur Oberflächenanalytik bieten wir als Teil des HZDR Ionenstrahlzentrums auch für externe Nutzer an. Bitte nehmen Sie bei Interesse Kontakt zu uns auf!

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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 in einem naturwissenschaftlichen oder technischen Fach. Nähere Informationen und ein Link zur online Bewerbung sind hier zu finden.

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Kooperationen

• Theorie der ioneninduzierten Strukturbildung
  • Mark R. Bradley, Colorado State University

• Datengetriebene Entwicklung von Kontinuumsmodellen der Oberflächendynamik
  • Dirk Reiser, Forschungszentrum Jülich

• Dynamik der ioneninduzierten Strukturbildung, in-situ GISAXS und XPCS:
  • Karl Ludwig, Boston University
  • Peco Myint, Argonne National Laboratory

• Ioneninduzierte Strukturbildung auf quasikristallinen Oberflächen
  • Pavol Noga, Slovak University of Technology in Bratislava

• Ioneninduzierte Strukturbildung auf PbSnTe
  • Egor Gorlatchev, Yaroslavl Branch of the Institute of Physics and Technology of Russian Academy of Sciences

• Gasphasenabscheidung auf ionenstrukturierten Oberflächen
  • Kai Schlage, Deutsches Elektronen-Synchrotron

• Forminduzierte magnetische Eigenschaften
  • Florin Radu, Helmholtz-Zentrum Berlin
  • Oleg Tretiakov, University of New South Wales
  • Oleksii Volkov, HZDR

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Ausgewählte Publikationen

• D. 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. 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. 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. 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