Experimental setup NIELS for energy loss measurement of slow highly charged ions based on time-of-flight

Abstract

Die einzigartigen Eigenschaften von leitenden 2D-Materialien wie single-layer-graphene (SLG) oder Kohlenstoff Nanomembranen (CNM) haben seit deren Entdeckung viel Aufmerksamkeit, als ausgezeichnete Kandidaten für zukünftige Anwendungen in der Nanoelektronik, auf sich gezogen. Bewusste Störung der Gitter- und Elektronenstruktur beispielsweise durch Kollisionen mit Elektronen oder hochgeladenen Ionen erlauben es die Eigenschaften eben dieser Materialien maßgeschneidert zu verändern. Stoßprozesse zwischen freistehendem SLG und Ionen sind außerdem von fundamentalem Interesse, da diese das Bindeglied zwischen atomaren Stoßprozessen in Gasen und festen Targets bilden [1]. Um mehr über diese mikroskopischen Wechselwirkungsprozesse zu erfahren wurde das Experiment NIELS (Neutral and Ions Energy Loss Spectrometry) gebaut. NIELS basiert auf dem Prinzip der Flugzeitspektrometrie (TOF-Spektroskopie). Neben der TOF-Spektroskopie verfügt NIELS auch über einen Elektronenstatistikdetektor [2] weswegen mit NIELS Koinzidenzmessungen von Energieverlust, Ladungsaustausch und Elektronenemission möglich sind. Eine Elektronenstrahlionenquelle (Dreebit EBIS-A) versorgt den Versuchsaufbau mit hochgeladenen Ionen verschiedener Ladungszustände mit kinetischen Energien von 100eVxQ bis zu 12keVxQ. Des Weiteren ist die Quelle mit einem Wienfilter ausgestattet, welcher die Auswahl des Anfangslandungszustandes erlaubt und ist auf einer Hochspannungsplattform angebracht, wodurch die kinetische Energie der austretenden Ionen eingestellt werden kann. Mit diesem Experiment erreichen wir eine Energieauflösung von <2% was ausreichend ist um ladungszustandsensible ! kinetische Energieverluste messen zu können. Des Weiteren ist es geplant nicht nur den Energieverlust von geladenen und neutralen Ionen nach Wechselwirkungen mit elektrisch leitenden Materialien zu beobachten, sondern auch mit Isolatoren wie hexagonales Bornitrid (hBn) oder Halbleitern wie Molybdän(IV)-sulfid (MoS2). In der vorliegenden Arbeit wird das Design, die Installation und die Kalibrierung von NIELS beschrieben. Erste Messungen mit 1nm dicke Kohlenstoff Nanomembranen und freistehendem einlagigem Graphen werden in Kapitel 3 präsentiert.

The unique electronic properties of ultimately thin materials like single layer graphene (SLG) or carbon nanomembranes (CNM) have attracted enormous attention as excellent candidates for future nanoelectronics. Disorder, as caused e.g. by collisions with high energetic electrons or ions, alter the electronic structure and therefore allow to modify and tailor the properties of these 2D material. Collision studies between ions and freestanding SLG are also of fundamental interest, because they bridge the gap between atomic collisions in gaseous and those in solid targets [1]. To learn more about the microscopic interaction mechanism we built the new experimental setup NIELS (Neutral and Ion Energy Loss Spectrometry) based on the time-of-flight (TOF) technique. In addition to the TOF a Vienna electron statistics detector will be mounted [2], which enables us to combine these two methods and do coincidence measurements of electron emission, energy loss and charge exchange associated with highly charged ion impact on 2D materials simultaneously. A room-temperature electron beam ion source (Dreebit EBIS-A), which is equipped with a Wien filter and mounted on a high voltage platform, provides highly charged ions of different charge states Q at kinetic energies ranging from 100eVxQ to 12keVxQ. With this setup we achieve an energy resolution of <2%, which is sufficient to measure ! charge state enhanced kinetic energy loss [1] and aim on measure not only energy loss for charged and neutral transmitted ions/atoms due to interaction processes with conductors like SLG but also with insulators like boron nitride and CNM or semiconductor like molybdenum disulfide. In this thesis the design, installation and calibration of the NIELS setup will be described. First measurements performed with 1nm thick carbon nanomembranes as well as freestanding single layer graphene are presented in chapter 3.