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Dr. Stefan Facsko
Leiter IBA/OSA
Leiter Ioneninduzierte Nanostrukturen
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Hochgeladene Ionen Experimentieranlagen

Zweiquellenanlage

SNIPER

Hochgeladene Ionen

Hochgeladene Ionen besitzen zusätzlich zu ihrer kinetischen Energie potenzielle Energie als Summe der Ionisationsenergien aller fehlenden Elektronen. Für langsame Ionen kann die potenzielle Energie viel größer sein als ihre kinetische Energie. Trifft ein langsames, hochgeladenes Ion auf eine Festkörperoberfläche, so entzieht es dem Festkörper Elektronen. Dieser Elektronentransport führt zur Neutralisation des Ions und zur Deposition der potentiellen Energie in die Oberfläche (Abb. 1).

Wird die hohe potentielle Energie innerhalb der kurzen Neutralisationszeit von einigen Femtosekunden (10-15 s) in eine Fläche von einigen nm2 eingetragen, so resultiert daraus eine extrem hohe Leistungsdichte von 1014 W/cm2. Durch diese hohen Energie- bzw. Leistungsdichten werden zahlreiche Oberflächenmodifikationen erwartet. Im Vergleich mit konventionellen Ionen, d.h. einfach geladenen Ionen oder schnellen, schweren Ionen (SHI) zeichnen sich langsame hochgeladene Ionen durch eine sehr oberflächennahe aber hohe deponierte Energiedichte aus (Abb. 2).

Der Schwerpunkt unserer Untersuchungen mit hochgeladenen Ionen ist:

  • Bestimmung des Ladungsaustauschs und des Energieverlustes hochgeladener Ionen durch Nanomembranen und 2D Materialien
  • Identifikation und Kontrolle von Oberflächenmodifikationen durch potentiellen Energieeintrag
COB Modell Energiedichte durch Ionenbeschuss

Abb. 1: Schematische Darstellung der Wechselwirkung hochgeladener Ionen mit Oberflächen: "Classical Over the Barrier Model" (nach HP. Winter, F. Aumayr und J. Burgdörfer).

Abb. 2: Die Energiedeposition für hochgeladene Ionen (HCI) erfolgt im Vergleich mit anderen Ionensorten sehr oberflächennah.

Aktuelle Veröffentlichungen:

  • R. A. Wilhelm, E. Gruber, J. Schwestka, R. Kozubek, T. I. Madeira, J. P. Marques, J. Kobus, A. V. Krasheninnikov, M. Schleberger, and F. Aumayr, Interatomic Coulombic Decay: The Mechanism for Rapid Deexcitation of Hollow Atoms, Phys. Rev. Lett. 119, 103401 (2017) [doi: 10.1103/PhysRevLett.119.103401].
  • E. Gruber, R.A. Wilhelm, R. Pétuya, V. Smejkal, R. Kozubek, A. Hierzenberger, B.C. Bayer, I. Aldazabal, A.K. Kazansky, F. Libisch, A.V. Krasheninnikov, M. Schleberger, S. Facsko, A.G. Borisov, A. Arnau, and F. Aumayr, Ultrafast electronic response of graphene to a strong and localized electric field, Nat Comms 7, 13948 (2016) [doi: 10.1038/ncomms13948].
  • A.S. El-Said, R.A. Wilhelm, R. Heller, M. Sorokin, S. Facsko, and F. Aumayr, Tuning the Fabrication of Nanostructures by Low-Energy Highly Charged Ions, Phys. Rev. Lett. 117, 126101 (2016) [doi:10.1103/PhysRevLett.117.126101].
  • R.A. Wilhelm, E. Gruber, V. Smejkal, S. Facsko, and F. Aumayr, Charge-state-dependent energy loss of slow ions. I. Experimental results on the transmission of highly charged ions, Phys. Rev. A 93, 052708 (2016) [doi:10.1103/PhysRevA.93.052708].
  • R.A. Wilhelm and W. Möller, Charge-state-dependent energy loss of slow ions. II. Statistical atom model, Phys. Rev. A 93, 052709 (2016) [10.1103/PhysRevA.93.052709].
  • R.A. Wilhelm, E. Gruber, R. Ritter, R. Heller, A. Beyer, A. Turchanin, N. Klingner, R. Hübner, M. Stöger-Pollach, H. Vieker, G. Hlawacek, A. Gölzhäuser, S. Facsko, and F. Aumayr, Threshold and efficiency for perforation of 1 nm thick carbon nanomembranes with slow highly charged ions, 2D Mater. 2, 1 (2015) [10.1088/2053-1583/2/3/035009].
  • R.A. Wilhelm, A.S. El-Said, F. Krok, R. Heller, E. Gruber, F. Aumayr, and S. Facsko, Highly charged ion induced nanostructures at surfaces by strong electronic excitations, Prog. Surf. Sci. 90, 377 (2015) [doi:10.1016/j.progsurf.2015.06.001].
  • R.A. Wilhelm, E. Gruber, R. Ritter, R. Heller, A. Beyer, A. Turchanin, N. Klingner, R. Hübner, M. Stöger-Pollach, H. Vieker, G. Hlawacek, A. Gölzhäuser, S. Facsko, and F. Aumayr, Threshold and efficiency for perforation of 1 nm thick carbon nanomembranes with slow highly charged ions, 2D Mater. 2, 1 (2015) [doi:10.1088/2053-1583/2/3/035009].
  • R.A. Wilhelm, E. Gruber, R. Ritter, R. Heller, S. Facsko, and F. Aumayr, Charge Exchange and Energy Loss of Slow Highly Charged Ions in 1 nm Thick Carbon Nanomembranes, Phys. Rev. Lett. 112, 153201 (2014) [doi:10.1103/PhysRevLett.112.153201].
  • A.S. El-Said, R. Heller, R.A. Wilhelm, S. Facsko, and F. Aumayr, Surface modifications of BaF2 and CaF2 single crystals by slow highly charged ions, Appl. Surf. Sci. 310, 169 (2014) [doi:10.1016/j.apsusc.2014.03.083].
  • Ritter, R., Wilhelm, R.A., Stöger-Pollach, M., Heller, R., Mücklich, A., Werner, U., Vieker, H., Beyer, A., Facsko, S., Gölzhäuser, A., Aumayr, F., Fabrication of nanopores in 1nm thick carbon nanomembranes with slow highly charged ions, Appl. Phys. Lett. 102, 063112, 2013 [doi:10.1063/1.4792511].

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