Vasko, C. A. (2009). Systematic study of nano-structures on polymethyl-methacrylate induced by slow highly charged ions [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/186582
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Defekten die durch die Bestrahlung von Polymethyl-methacrylat (PMMA) mit langsamen, hochgeladenen Xenon Ionen entstehen. Die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe von hochgeladenen Ionen ist ein Gebiet welches in den letzten Jahren intensiv erforscht worden ist.<br />Internationale Projekte wie LEIF und ITSLEIF haben Forschern aus ganz Europa den Zugang zu Ionenquellen ermöglicht, die in der Lage sind Ionenstrahlen hochgeladener Ionen mit hohen Intensitäten und Ladungszuständen von bis zu 70+ zu erzeugen. Die Verwendung von langsamen hochgeladenen Ionen haben ein hohes Potential für zukünftige Anwendungen in vielen Gebieten, und das bessere Verständnis der Wechselwirkung eines Ions mit der Oberfläche ist daher von großem wissenschaftlichen Interesse. Die möglichen Anwendungsgebiete reichen von der Fusionsforschung bis hin zu medizinischen Anwendungen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde das Potential der ITSLEIF Infrastruktur genützt um eine methodische Untersuchung der Rolle der potentiellen Energie eines Ions mit niedriger kinetischer Energie im Prozess der Defektbildung zu ermöglichen. Hierfür wurden in verschiedenen Laboratorien Xenon Ionen im Ladungszustand von q =20+ bis q = 50+ erzeugt, mit denen dünne Schichten von PMMA auf Siliziumwafern bestrahlt wurden. Diese Ladungszustände entsprechen einer potentiellen Energie von 4 keV bis 101 keV. Die bestrahlten Proben wurden mithilfe eines Rasterkraft Mikroskops im Kontaktbetrieb einige Wochen nach der Bestrahlung untersucht. Das Auftreffen von einzelnen Ionen erzeugte Löcher mit einem Durchmesser von 20 bis 30 nm. Diese wurden auch ohne eine chemische Entwicklung der Proben gefunden. Größe und Form der entstandenen Defekte zeigen keine eindeutige Korrelation mit der potentiellen Energie der Ionen . Ein möglicher Grund dafür könnte in Problemen der Auswertung zu finden sein, denn ähnliche Untersuchungen von kristallinen Oberflächen wie CaF2 und KBr zeigten eine eindeutigere Beziehung zwischen potentieller Energie und Defektgröße. Allerdings sind diese Oberflächen beinahe atomar flach, während jene von PMMA eine Rauhigkeit in der Größenordnung von bis zu 0.5 nm aufweisen kann, was bereits in den Bereich der Tiefe der zu untersuchenden Strukturen fällt. Dies erschwert die Untersuchung jener Defekte und macht eine eventuell vorhandene, schwache Abhängigkeit der Strukturen von der potentiellen Energie schwierig nachzuweisen. Weiters erschwerend ist der Umstand, dass die zur Untersuchung verwendeten Spitzen fast ebenso groß sind, wie die Defekte selbst und sich somit ein Problem mit der Auflösung stellt.<br />
de
The present thesis describes the defects caused by the impact of slow, highly charged xenon ions on the surface of polymethyl-methacrylate (PMMA). Nanostructuring of surfaces with highly charged ions has thoroughly been investigated in the past years, as international cooperations such as LEIF and ITSLEIF provided international access to ion sources capable of producing high intensity ion beams with ion charge states up to 70+.<br />Using slow highly charged ions as a tool for directed and controlled surface modifications together with recent progress in the understanding surface-ion interactions are showing great promise for a wide array of applications, ranging from fusion research to medical applications. This thesis took advantage of the ITSLEIF infrastructure to conduct a methodical approach to investigate the role of an ion's potential energy in the process of defect formation upon impacting with low kinetic energy. Xenon ions from various facilities ranging from q =20+ to q = 50+ were used to irradiate thin layers of PMMA on silicon wafer substrates. These charge states correspond to a variation of the potential energy in the range from 4 keV to 101 keV.<br />The irradiated samples were investigated in contact mode atomic force microscopy within a few weeks after exposure. Single ion hits produced pits with diameters in the range of 20- to 30 nm. These were found without the need of developing the samples. The size and the form of the induced defects show no unambiguous correlation to the variation of projectile potential energy. This might be the result of the difficulty to characterize pits on the surface of PMMA. Similar investigations on crystalline insulator like CaF2 and KBr yielded clear trends because these surfaces are almost atomically flat, while virgin PMMA surfaces have an average roughness of around 0.5 nm. Thus, pits of comparable depth are difficult to identify and a possible weak dependence on the variation of the potential energy might be masked by measurement errors.<br />These errors are even accentuated by the fact that the tips scanning the surface depressions are approximately the same size as the scanned objects.