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Neutralization of Nobel Gas Ions at Oxide Surfaces in Low-Energy Ion Scattering

Project leader: Peter Bauer

Der Ladungsaustausch zwischen Ionen und Festkörperoberflächen ist in der angewandten Wissenschaft und in der Grundlagenforschung von großem Interesse. Viele technische Anwendungen zur Analyse oder Modifikation von Materialeigenschaften beruhen auf Ionenstrahlen und benötigen deshalb quantitative Informationen über die auf das Ion einwirkenden Ladungsaustausch-Mechanismen. Während die Niederenergieionenstreuung (LEIS) erfolgreich zur extrem oberflächenempfindlichen Analyse von Festkörper-Zusammensetzungen verwendet wird, sind die zugrundeliegenden Ladungsaustausch-Mechanismen nur ungenügend verstanden. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen eine starke Abhängigkeit des Ladungsaustausches von der elektronischen Struktur der Probe. Die Anwesenheit von Sauerstoff an der Oberfläche hat bekanntermaßen einen starken Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften der Oberfläche. Dennoch ist die Auswirkung von Sauerstoff auf den Ladungsaustausch von Edelgas-Ionen noch kaum untersucht. Das ist insofern überraschend als Sauerstoff ein in vielen Anwendungen wichtiger Bestandteil von technischen Oberflächen ist. Deshalb ist geplant, den Ladungsaustausch von He-Projektilen an sauerstoffhältigen Oberflächen experimentell zu untersuchen. Für ein umfassendes Verständnis werden die Ergebnisse in Kooperation mit KollegInnen aus dem Bereich der theoretischen Physik modelliert. Die Messungen werden an ESA- und TOF-LEIS Apparaturen durchgeführt. Dabei werden amorphe und einkristalline Proben ausgewählter Metalle, Halbleiter gezielt mit Sauerstoff begast und die Umladungsprozesse an den Adsorbatstrukturen bzw. Oberflächenoxiden untersucht. Die Resultate sollen Antworten auf die folgenden Fragen geben:
1. Wie beeinflusst die Adsorption von Sauerstoff bzw. die Bildung eines Oberflächenoxids den Ladungsaustausch von He mit den Atomen der Oberfläche?
2. Welche Ladungsaustauschprozesse finden zwischen He und Sauerstoff in der Adsorbatphase bzw. im Oberflächenoxid statt?
3. Welche Informationstiefe ergibt sich für Oberflächenoxide und Sauerstoffadsorption an der Oberfläche?
4. Unter welchen Bedingungen ist es möglich, die Konzentrationen von Sauerstoff und Oberflächenatomen quantitativ zu bestimmen?
Die zu erwarteten Ergebnisse werden einen wesentlichen Fortschritt im physikalischen Verständnis der Ionen-Festkörper Wechselwirkung darstellen. Ein tieferes Verständnis, das zu quantitative Vorhersagen von Ladungsaustauschwahrscheinlichkeiten in LEIS-Experimenten führt, wäre äußerst wünschenswert. Außerdem werden die Ergebnisse auch für vielfältige technologische Anwendungen wie Ionenimplantation und Fusionsforschung von großem Interesse sein.

This project is funded by the Austrian Science Fund under contract number P25704-N20.

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For more information please contact: Peter Bauer