28.08.2008

Ionen erzeugen Nano-Krater

Hochgeladene Ionen können Atome aus der ersten Atomlage eines Kristalls verdampfen und stellen ein viel versprechendes Instrument zur Modifikation von Materialoberflächen dar.



Hochgeladene Ionen können Atome aus der ersten Atomlage eines Kristalls verdampfen und stellen ein viel versprechendes Instrument zur Modifikation von Materialoberflächen dar.

Die Ionenstrahl-Technologie spielt für die Strukturierung von Chips eine große Rolle. Ein Forschungsschwerpunkt im Ionenstrahlzentrum des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf (FZD) ist die Erzeugung von Nanostrukturen mittels Ionen. Die Gruppe um Stefan Facsko setzt hier auf hochgeladene Ionen. Wenn man einem Atom einen Großteil seiner Elektronen entzieht, so hat das zurückbleibende Ion viel potentielle Energie gespeichert. Diese interne Energie wird in sehr kurzer Zeit auf unvorstellbar kleinem Raum freigesetzt und kann somit für die effektive Modifizierung von Oberflächen benutzt werden. So entstehen winzig kleine Löcher in der obersten Materialschicht. Die Löcher selbst sind wenige Nanometer breit und genau eine Atomlage tief, also nur ein Bruchteil eines Nanometers. Darüber berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

Als Material für den Beschuss mit hochgeladenen Ionen wählten die Forscher in ihren aktuellen Untersuchungen Kaliumbromid. Dabei handelt es sich um ein kristallines und nichtleitendes Material, das beispielsweise bei der Herstellung von Linsen und Prismen Verwendung findet. Solche Isolator-Materialien kommen aber auch in der Mikro-Elektronik als Gate-Material vor. Vielfach untersucht ist die Elektronen-Bestrahlung von Kaliumbromid. Die Elektronen dringen tief in die Oberfläche ein und erzeugen dort viele kleine Defekte im Gitter des Kristalls. Einige der Defekte wandern an die Oberfläche und können dort zur Erzeugung einzelner Leerstellen führen.

Abb.: Raster-Kraft-Mikroskop-Aufnahme von Nano-Löchern auf der Kaliumbromid-Oberfläche nach Beschuss mit 25-fach geladenen Xenon-Ionen. (Bild: FZD)

Diese bekannte Methode ist nicht sehr effektiv, da sehr viele Elektronen notwendig sind, um kollektiv ein einzelnes Loch zu bilden. Anders bei hochgeladenen Ionen. Jedes einzelne Teilchen gibt seine hohe potentielle Energie direkt an die Oberfläche des Materials ab und erzeugt deshalb besonders effektiv viele Leerstellen auf kleinstem Bereich, die sich zu einem Krater zusammenfügen. Die Anzahl der abgelösten Atome hängt dabei nur von der abgegebenen inneren Projektilenergie ab. Somit ist die Größe der Nano-Strukturen, die erzeugt werden, durch die Wahl der Ladung des Ions einstellbar. Verblüffend ist, dass die Tiefe immer genau einer Atomlage der Materialoberfläche entspricht. Der Grund hierfür ist, dass die frei werdende potentielle Energie der Ionen an der Oberfläche konzentriert ist und nur hier Atome aus dem Gitter verdampfen können. Dabei ist die Effizienz der Ionen-Projektile verblüffend: im Gegensatz zur schon lange bekannten, direkten Elektronen-Bestrahlung erzeugt jedes Ion genau ein wohldefiniertes Nano-Loch. Ein weiterer Vorteil der hochgeladenen Ionen ist, dass sie keine Schäden in tiefer liegenden Kristallschichten hervorrufen. Hochgeladene Ionen stellen damit ein viel versprechendes Instrument zur effektiven Modifikation von Materialoberflächen dar.

Die durchgeführten Experimente mit hochgeladenen Ionen im Rossendorfer Ionenstrahlzentrum führten zu äußerst interessanten Effekten, die es nun weiter zu untersuchen gilt. Zunächst treibt die Forscher das grundlegende Interesse zur Wechselwirkung von langsamen hochgeladenen Ionen mit Festkörper-Oberflächen an, denn sie wollen die Anregung, die durch die potentielle Energie der Ionen verursacht wird, noch besser verstehen. Stefan Facsko sagt: „Uns reizt es aber auch, hochgeladene Ionen in Zukunft gezielt auf der Materialoberfläche zu platzieren, also den Auftreffpunkt genau zu bestimmen. Wenn uns das gelänge, könnten wir komplexe Strukturen aus lauter Nano-Löchern schreiben, die genau eine Atomlage tief sind. In diese Strukturen könnte man selektiv Metall aufdampfen und hätte so interessante „plasmonische“ Strukturen mit viel versprechenden Eigenschaften.“

Quelle: FZD

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