Nanostructures formed on surfaces due to the impact of slow highly charged ions

Abstract

Nähert sich ein langsames hochgeladenes Ion einer Oberfläche an und trifft in weiterer Folge auf ihr auf, so treten bei der Wechselwirkung eine Reihe unterschiedlicher Phänomene auf. Obgleich alle diese Phänomene im Weiteren beschrieben und näher ausgeführt werden, ist das Hauptaugenmerk dieser Arbeit auf die letzte Stufe dieses Wechselwirkungs-Szenarios gerichtet: Die mögliche Entstehung von Nanostrukturen, die in Abhängigkeit der Materialeigenschaften und der Ionenstrahleinstellungen auftreten kann.<br />Systematische Untersuchungen in diesem Forschungsbereich werden seit über einem Jahrzehnt in der AG Aumayr ausgeführt. Der erste Meilenstein wurde erreicht, als festgestellt wurde, dass einzelne langsame hochgeladene Ionen in der Lage sind auf CaF2-Oberflächen stabile, topographische Erhebungen (hillocks) zu erzeugen. Überschreitet die potentielle Energie des einfallenden Ions einen kritischen Schwellwert, so kann die deponierte Energiedichte so hoch werden, dass das Material auf der Nanoskala zu schmelzen beginnt, was in weiterer Folge zum Entstehen der hillocks führt. Im Allgemeinen scheinen Effekte, die mit der potentiellen Energie der Ionen in Verbindung gebracht werden, im untersuchten "langsamen" Energiebereich eine größere Rolle zu spielen als kinetische Effekte.<br />Im Zuge dieser Arbeit wurden eine Reihe von Materialien für systematische Untersuchungen herangezogen. Manche Studien können als Fortsetzung früherer Arbeiten auf einem gegebenen Material betrachtet werden, z. B. CaF2 oder hochgeordneter pyrolitischer Graphit. Bei der Auswahl neuer Materialien hat sich der Fokus von Einkristallen und ausgedehnten Festkörpern hin zu dünnen und ultradünnen Filmen verschoben.<br />Dünne Filme von Polymethylmethacrylat, einem Polymer, das als Photoresist in der Halbleiterindustrie eingesetzt wird, können durch Rotationsbeschichtung auf Silizium-Plättchen aufgebracht werden. Nach der Bestrahlung mit langsamen hochgeladenen Ionen ausreichender potentieller Energie, lassen sich nanoskopische Gruben auf der Oberfläche finden. Volumen und Form dieser Gruben können durch die potentielle und die kinetische Energie der Ionen beeinflusst werden.<br />Ein großer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen freistehender, 1 nm dicker Kohlenstoff Nanomembranen. Ausgangspunkt dieser Membranen sind selbstorganisierte Monolagen von Biphenyl-Molekülen, die durch Elektronenbestrahlung vernetzt werden können. Die resultierenden, mechanisch stabilen Membranen haben die Dicke eines einzelnen Moleküls und können im Prinzip auf beliebige Substrate aufgebracht werden, z. B. auf löchrige Kohlenstofffilme auf einem Transmissionselektronenmikroskopie-Gitter. In Folge der Bestrahlung mit hochgeladenen Ionen zeigen Bereiche der freistehenden Membran nanoskopische Öffnungen, die mit einer Vielzahl hochauflösender Mikroskopietechniken untersucht werden können.<br />

When a slow highly charged ion approaches and eventually impacts a solid surface, a multitude of interaction phenomena occur. Although all of them are described and elaborated on in the following, this thesis is focused on the final stage of the interaction scenario, the formation of nanostructures which may take place depending on material properties and ion beam parameters.<br />Systematic investigations in this research field have been carried out in the AG Aumayr for over a decade. A first milestone was reached, when it was found that individual slow highly charged ions are able to induce stable, topographic protrusions (hillocks) on surfaces of the ionic crystal CaF2. If the impinging ion's potential energy exceeds a threshold value, the deposited energy density can become high enough to cause material melting on the nanoscale which eventually leads to the formation of hillocks. Generally, in the investigated "slow" energy regime, effects associated with the ion's potential energy seem to play a bigger role than kinetic effects.<br />In the course of this work a variety of materials were chosen for investigation. Some studies are a continuation of earlier work on a given material, e.g., CaF2 and highly ordered pyrolytic graphite. For the selection of new materials to be inspected, the interest has shifted from single crystals and bulk materials to thin and ultrathin films.<br />Thin films of poly(methyl methacrylate), a polymer used commonly as a photoresist in the semiconductor industry, can be spin-coated onto silicon substrates. After exposure to slow highly charged ions of sufficient potential energy, nanosized pits are found on the surface.<br />Volume and shape of the pits can be tuned by both the potential and the kinetic energy of the ion, respectively.<br />A large part of the presented work is devoted to studies on freestanding, 1 nm thick carbon nanomembranes. These membranes are produced from self-assembled monolayers of biphenyl molecules which can be cross-linked by electron irradiation. The resulting, mechanically stable membranes have the thickness of a single molecule and can be transferred onto arbitrary substrates, e.g., holey carbon films on a transmission electron grid. Following irradiation with highly charged ions, areas of the freestanding membrane show nanoscopic openings which can be investigated with a variety of high-resolution imaging techniques.<br />