Finding new materials susceptible to damage creation by the potential energy of slow highly charged ions

Abstract

Die Wechselwirkungen von langsamen, hochgeladenen Ionen (HCI) mit Festkörperoberflächen sind von großem Interesse in der Plasmaphysik (Plasma-Wand Wechselwirkungen) sowie in der Oberflächenphysik (Nano-Strukturierung von Oberflächen). Während schnelle, schwere Ionen (swift heavy ions) bereits ausreichend untersucht und als Werkzeug in der Oberflächenphysik etabliert sind, sind langsame HCI zur Festkörperoberflächenbearbeitung erst im Kommen. Der Einsatz von langsamen HCI ist von Vorteil, da die bearbeitete Probe dabei nur in den äußersten Atomlagen verarbeitet wird, während der Hauptteil unverändert bleibt. Die Art der Wechselwirkung hängt sowohl von der potentiellen und kinetischen Energie als auch vom Einfallswinkel ab. Um den Ionenstrahl präzise benützen zu können, bedarf es fundiertes Wissen über die verschiedenen Arten der Wechselwirkungen von hochgeladenen Ionen mit Festkörperoberflächen.<br />Für die vorliegende Arbeit wurden einige neue Materialen untersucht, die anfällig dafür sind, durch die potentielle Energie von hochgeladenen Ionen Defekte an der Oberfläche zu bilden. In kürzlich durchgeführten Studien hat sich herausgestellt, dass alleine die potentielle Energie, welche frei wird, wenn ein hochgeladenes Ion mit einer Festkörperoberfläche in Kontakt kommt, ausreicht, um permanente Nanometer-große Hügel (hillocks) auf (111) Oberflächen von CaF2 Einkristallen als auch Nanometer-große Löcher (pits) auf (001) Oberflächen von KBr zu erzeugen. Ausgangspunkt für die vorliegende Arbeit waren die vielversprechenden Resultate einer Studie über HCI-LiF Wechselwirkungen von El-Said et al. Die Tatsache, dass auf bestrahlten LiF Proben sowohl pits als auch hillocks gefunden werden konnten, was einen Hinweis auf zwei verschiedene Wechselwirkungsmechanismen darstellen könnte, erzeugte großes Interesse weitere Bestrahlungsexperimente mit LiF Kristallen durchzuführen. Um weitere Materialen zu finden die auf die Bestrahlung mit hochgeladenen Ionen ansprechen und gleichzeitig mehr Information zu den Wechselwirkungsprozessen zu erlangen, wurden verschiedene Ionenkristalle wie CaF2, LiF, KBr und BaF2 sowie Proben des Photoresists Polymethylmethacrylat (PMMA) analysiert. Die Kristalle wurden an Luft gespalten und mit hochgeladenen Ionen mit Ladungszuständen von q=20 bis q=50 bestrahlt. Die kinetische Energie der verwendeten Ionen reichten von sehr langsam (d.h. 10 keV) an der EBIT der Zwei-Quellen Anlage am FZD-Rossendorf bis hin zu schnellen Ionen (d.h. 500 keV) an der HD-EBIT am MPI-K Heidelberg. In nachfolgenden AFM (Rasterkraftmikroskopie) Untersuchungen der bestrahlten Proben wurde die Topographie der Oberflächen analysiert. Die AFM-Messungen enthüllten, abhängig vom jeweiligen Material und den Ladungszuständen der verwendeten Ionen, verschiedene Oberflächenveränderungen im Nanometer-Bereich, wie lochartige und hügelartige Strukturen (pits und hillocks).

The interactions of slow highly charged ions (HCI) with solid surfaces are of great interest in plasma physics (plasma wall interactions) and surface physics (nanostructuring of surfaces). While swift heavy ions are already well studied and established as a tool in surface sciences, slow highly charged ions are only coming up as a novel tool in manipulating solid surfaces at low cost. The use of slow HCI is advantageous, manipulating the samples only in the topmost layers while the bulk remains unchanged. The kind of interaction between a HCI and a surface depends on both the potential and the kinetic energy of the projectile as well as the angle of incidence. For a precise use of the ion beam a detailed knowledge of the different HCI surface interaction processes is essential.<br />Within the present thesis new materials susceptible to damage creation by the potential energy of slow highly charged ions were analyzed. In recent studies it has been shown that the potential energy released during impact of slow HCI alone is sufficient to create permanent nano-sized hillocks on the (111) surface of a CaF2 single crystal and nano-sized pit-like structures on the (001) surface of KBr. Starting point of the present thesis was the promising study on LiF by El-Said et al. Due to the fact that nano-sized pits as well as hillocks could be found on irradiated LiF surfaces, suggesting two different mechanisms of ion induced damage creation on one single material, the analysis of the ionic crystal LiF was of great interest. To find more materials susceptible to damage creation by the potential energy of slow HCI as well as to get more information on the interaction processes between the HCI and the bombarded surface, different ionic crystals as CaF2, LiF, KBr and BaF2 and samples of the photo-resist polymethylmethacrylate (PMMA) were analyzed. The crystals were cleaved in air before they were irradiated with highly charged ions in charge states ranging from q=20 to q=50. The kinetic energy of the used ions ranged from very slow (i.e. 10 keV) at the EBIT of the Two-Source Facility at FZD-Rossendorf to fast ions (i.e. 500 keV) at the HD-EBIT at MPI-K Heidelberg. In a subsequent AFM (atomic force microscopy) analysis of the bombarded samples the topography of the irradiated surfaces was examined. The measurements revealed, depending on the material and the used ion's charge state, different surface modifications in the nano-scale as pit- and hillock-like structures.<br />