Ionenimplantation und Ionenbestrahlung

Beim Einsatz der Ionenimplantation zur Erzeugung von (vergrabenen) Nanostrukturen können prinzipiell zwei verschiedene Wirkungsmechanismen des Ionenstrahls genutzt werden.

Ionenimplantation und -bestrahlung

Entsprechend der linken Spalte in der Abbildung werden durch Ionenimplantation Zustände weitab vom thermodynamischen Gleichgewicht, d.h. übersättigte Festkörperlösungen, erzeugt, die bei nachfolgender Temperung in Richtung Gleichgewicht relaxieren und zur Selbstorganisation von Nanoclustern (NC) führen. Für praktische bzw. technologische Anwendungen ist die Kontrolle der Prozessparameter meistens unzureichend, obwohl das theoretische Modell die Selbstorganisationsprozesse von NC beim Übergang in den Gleichgewichts-zustand gut beschreibt. Es ist festzustellen, dass die Möglichkeiten zur Einstellung besonders der Größe und Größenverteilung der NC durch Wahl der Implantations- und Temperparameter eher begrenzt sind.

Das zweite Wirkprinzip der Ionenstrahlen beschreibt die rechte Spalte in der Abbildung. Physikalisch handelt es sich hier um ein „getriebenes System“. Der stationäre Nichtgleichgewichtszustand unter Ionenbestrahlung (Gleichgewicht zwischen Defekterzeugung und -rekombination) erlaubt es, die Eigenschaften von Nanostrukturen gezielt zu verändern, d.h. zu "zähmen". Das betrifft insbesondere die Größenverteilung, aber auch die räumliche Selbstorganisation von Nanoclustern an Grenzflächen. Es konnte gezeigt werden, dass bei Variation von Temperatur und Ionenfluss während der Ionenimplantation es möglich ist, die Größe und Größenverteilung von NC zu kontrolliert zu beeinflussen. So kann z.B. durch Hochenergie-Ionenbestrahlung einer Schicht mit NC deren Größe und Größenverteilung verändert werden. Der Gleichgewichtszustand während der Ionenbestrahlung führt für die NC in der Matrix zu eine effektiv negativen Grenzflächenspannung bzw. Kapillaritätslänge in der Gibbs-Thomson Gleichung. Dadurch entwickelt sich das NC Ensemble in Richtung maximaler Grenzfläche, was zu einer monodispersiven Größenverteilung führt (bei unterdrückter Nukleation zusätzlicher NC).

 
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