Selbstorganisierte Oberflächenmuster auf Germanium durch schwere Clusterionen

Ionenstrahlinduzierte Oberflächenstrukturen von bisher nicht erreichter Qualität wurden Ende 2009 am FZD bei der routinemäßigen Untersuchung der Oberflächenerosion von Ge mit schweren Bi2+ und Bi3++ Ionen-Clustern entdeckt. Die neue Qualität betrifft die sehr gute Nahordnung und die große Amplitude der „Dot“-Muster, die deutlich über dem bisher Erreichten liegt (siehe Abb.). Das implantierte Bi ist in den Dots angereichert.
Auch ein qualitativer Sprung wird bei der Cluster-Ionenerosion beobachtet: Während bei senkrechter Fokussed-Ion-Beam-Bestrahlung mit Bi+-Ionen die Ge-Oberflächenschicht die bekannte Schwammstruktur erhält, finden wir mit Bi3++-Clustern bei gleicher Energie pro Bi-Atom (10 keV) selbstorganisierte (kristalline) „Dots“, deren Abstand untereinander weniger als 50nm beträgt und die 30-40nm hoch sind.
Die von uns entdeckte Selbststrukturierung basiert also auf einem Clustereffekt, nicht auf Einzel-Ioneneinschlägen. Das Kuramoto-Sivashinsky Modell ist daher nicht anwendbar, anders als für die reguläre Selbststrukturierung von Ge mit 3-4nm flachen Löchern durch Beschuss mit 5keV Ga-Ionen (Wei et al., Adv. Mat. 21 (2009) 2865).
Erste theoretische Analysen zeigen, dass die durch die Stoßkaskade deponierte Energiedichte einen Schwellwert überschreiten muss um den neuartige Selbststrukturierungsprozess auszulösen. Der Schwellwert koinzidiert mit der pro Atom benötigten Energie zum Schmelzen des Ge, d.h. jeder Bi-Clustereinschlag erzeugt einen Ge-Schmelzpool von einigen 100nm3. Unsere erste Modellvorstellung erklärt die Bi-Konzentrierung in „Punkte“ durch eine Bi-Ge-Entmischung der Oberflächenschicht mittels vielfacher Bi-Segregation in den erstarrenden Schmelzpools. Die topografische Aufwölbung in den „Punkten“ wird durch die ca. 5%ige Ge-Volumenänderung beim Schmelzen bewirkt. Die Bi-konzentrationsabhängigen Schmelztemperatur des Ge führt zu einem asymmetrischen Erstarren der Schmelzpools und wegen der Volumenänderung zu einem Ge-Massentransport in Richtung hoher Bi-Konzentration.