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Barbara Bruckner - Bombardement im Miniversum - von minions und mini ions


Charge exchange and electronic stopping of slow light ions in metals and metal oxides

oder

Bombardement im Miniversum - von minions und mini ions

Barbara Bruckner

angefertigt an der Abteilung für Atom- und Oberflächenphysik des Instituts für Experimentalphysik der JKU.

Kurzfassung (PDF)

Präsentation (PDF 3MB)

Präsentation (PPTX 17MB)

Warum sind Ionen interessant, bzw. wofür werden sie verwendet?

Eine umfangreiche Kenntnis der Wechselwirkung geladener, atomarer Teilchen (Ionen) mit Materie ist äußerst wichtig. Hier zwei Beispiele aus ganz unterschiedlichen Gebieten:

Bei der Behandlung von Tumoren nutzt man aus, dass diese meist strahlenempfindlicher sind als gesundes Gewebe. Eine Bestrahlung mit Ionen hat im Vergleich zu Röntgen- oder Gammastrahlen den Vorteil, dass die Energie wesentlich gezielter in einer bestimmten Gewebetiefe abgeben werden kann – vor allem bei tief liegenden Tumoren von großer Wichtigkeit. Damit die Teilchenstrahlen möglichst wenig gesundes Gewebe zerstören, muss man also diese Wechselwirkung sehr genau studieren.

In den Materialwissenschaften analysiert man mittels Ionenstreuung Oberflächen und ihre Beschichtungen, da diese die Eigenschaften eines Objektes entscheidend beeinflussen. Oberflächen sind von großer Bedeutung, da sie für sehr viele chemische und mechanische Eigenschaften eines Gegenstandes verantwortlich sind. Ein Beispiel dafür ist das Lotusblatt, dessen Oberflächenstruktur das Abperlen von Wassertropfen bewirkt. Heutzutage werden Oberflächen für unterschiedlichste Anforderungen optimiert und dies erfordert auch entsprechende Analyse-Methoden.

Abb. 1: Ein Blick in unser Ionenstreu-Labor


Streuung von niederenergetischen Ionen (LEIS)

Handelt es sich um Nano-Schichten (mit Dicken von Millionstel Millimetern), analysiert man sie mit „LEIS“ (Streuung niederenergetischer Ionen). Man beschießt die Probe mit langsamen, leichten Ionen, z.B. Protonen, also „mini ions“. Die Projektile übertragen in Stößen mit Atomkernen der Probe Energie. Dieser Energieübertrag hängt vom Stoßpartner ab. Bei Stoß mit einem leichten Atom kommt das Ion mit niedrigerer Energie zurück als bei Streuung an einem schwereren Atom.

Abb. 2: Prinzip der Ionenstreuung: H- oder He-Teilchen werden als Projektil auf die Probe geschossen; die rückgestreuten Teilchen werden detektiert und geben Aufschluss über die Zusammensetzung und Dicke der Probe.

Zusätzlich verlieren die Projektile Energie an die Elektronen des beschossenen Materials und werden dadurch verlangsamt. Dieser Abbremsmechanismus wird auch als elektronisches Bremsvermögen bezeichnet. Einerseits hängt dieser „elektronische Energieverlust“ von der Länge des Weges ab, den das Ion in der Probe zurücklegt. Andererseits erwartet man, dass die Effizienz der elektronischen Abbremsung auch von der Materialart abhängt: Schließlich weisen die Energieverteilungen der Valenzelektronen (Bandstruktur) in Metallen, Halbleitern und Isolatoren große systematische Unterschiede auf. Diese Bandstruktur entscheidet darüber, ob ein Material Elektrizität gut oder schlecht leitet und ob es durchsichtig ist. Entsprechend erwartet man auch charakteristische Unterschiede dafür, wie wirkungsvoll die Ionen durch die Elektronen gebremst werden.

VO2 – Halbleiter oder Metall?

In meiner Masterarbeit untersuchte ich die Streuung von Protonen und Heliumionen in Vanadiumdioxid (VO2). Dieses hochinteressante Material ist bei Raumtemperatur ein Halbleiter und oberhalb von 70°C ein Metall. Es stellte sich aber bei meinen Messungen heraus, dass in metallischem und halbleitendem VO2 die Ionen gleichermaßen abgebremst werden!

Abb. 3: Der elektronische Bremsquerschnitt (eine Größe zur Beschreibung des elektronischen Bremsvermögens) von H- und He-Ionen in VO2; gemessen bei Raumtemperatur (RT) – Halbleiter – und bei T=100°C – Metall.

Vergleich zu einem Isolator

Durch dieses Ergebnis veranlasst, habe ich meine Messergebnisse auch noch mit denen eines Isolators (Quarz – SiO2) verglichen [1]. Dabei stellte sich verblüffender Weise heraus, dass die Elektronen in VO2 und in Quarz auf Protonen ebenfalls in gleicher Weise reagieren. Folglich scheinen die doch deutlichen Unterschiede in der Bandstruktur von Metallen, Halbleitern und Isolatoren für die Bremswirkung von Elektronen auf Ionen in Materie irrelevant zu sein. Für genauere Informationen über die ablaufenden Prozesse sind Vergleiche mit theoretischen Modellen nötig.



Referenz:
[1] S. N. Markin, D. Primetzhofer, und P. Bauer, (2009). „Vanishing Electronic Energy Loss of Very Slow Light Ions in Insulators with Large Band Gaps”. Phys. Rev. Lett. 103, S. 113201.