Influence of ion sputtering on iron-Tungsten alloy surfaces and iron surfaces

Abstract

Treffen Ionen oder Atome auf feste Oberflächen, so kann eine ganze Reihe von Phänomenen auftreten. Als Beispiel seien hier die Emission von Photonen oder Sekundärteilchen, sowie die Implantation von Teilchen, etc genannt. Ein besonders interessanter Effekt ist auch die Erosion von Oberflächen aufgrund von Zerstäubung, mit welchen sich diese Arbeit im Detail beschäftigt. Beim Zerstäubungsprozess werden die obersten Atomlagen von der Oberfläche weggesprengt. Das Abtragen geschieht dabei willkürlich, die Erosion ist also nicht überall auf der Oberfläche exakt gleich stark, was zu einer Veränderung der Oberflächenzusammensetzung und somit auch zu einer Veränderung der Erosionsgeschwindigkeit führt. Manchmal wird durch diese Modifikationen die Bildung von Strukturen auf der Oberfläche induziert. Sind diese quasi-periodisch können sie als Wellen bezeichnet werden. Einerseits kann dieser Effekt durchaus erwünscht sein, so z.B. in der Halbleiter-Industrie, anderseits stellen sie oft ein großes Problem dar, wie z.B. bei der Erosion von Plasma- Komponenten in Fusionsanlagen. In Fusionanlagen sind die Plasma-Wand Interaktionen ein ungewolltes Phänomen. Die Belastung der Plasma-Komponenten durch den Ionenbeschuss führt zu einer Vekürzung der Lebenszeit der Komponenten. Ein gutes Verständnis von Plasma-Wand Wechselwirkungen ist daher essentiell, um die Lebenszeit von Fusionsanlagen zu verbessern. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit Plasma-Wand Wechselwirkungen unter kon- trollierten Laborbedingungen untersucht. Hierbei kommt eine Quartz-Kristall-Mikrowage (QCM) Technik zum Einsatz. Mit dieser ist es möglich, auch kleinste Massenänderungen unter Ionenbeschuss nachzuweisen. Letztendlich verfolgt diese Arbeit zwei Ziele. Erstens wird die Oberflächenanreicherung von schweren Elementen in Legierungen untersucht. Es wird dafür eine Eisen-Wolfram Legierung (98.5 at% Eisen 1.5 at% Wolfram) mit D2+-Ionen beschossen. Diese Art der Legierung stellt ein Modell-System für den EUROFER-Stahl dar, welcher in zukünftigen Fusionsanlagen in abgelegenen Gebieten zum Einsatz kommen könnte. Durch einen Prozess, der bevorzugtes Zerstäuben genannt wird, wird in dem Fall Wolfram an der Oberfläche angereichert. Da Wolfram bessere Eigenschaften als Eisen in Bezug auf Anwendbarkeit in Fusionsanlagen besitzt, könnte eine Eisen-Wolfram-Legierung zukünftig als günstige Alternative zu reinem Wolfram verwendet werden. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist, den Wissenschatz bezüglich Quasi-periodischer Oberflächenstrukturen, wie Wellen,zu erweitern. Hierbei stehen besonders ihr Entstehungszeitpunkt und ihre Wirkung auf Zerstäubungsprozesse im Vordergrund. Zu diesem Zweck werden mit Eisen beschichtete Proben in mehreren Schritten mit Ar+-Ionen bestrahlt. Die Proben werden anschließend nach jedem Schritt mithilfe eines Rasterkraftmiskroskops auf das Erscheinen von Wellen untersucht.

When ions/atoms hit solid surfaces, a large variety of phenomena occur, e.g. the emission of photons, secondary particle emissions, the implantation of particles, etc.. One very interesting effect is the surface erosion due to sputtering. In the process of sputtering the first few atomic layers of the surface are removed. Since atoms at the surface are randomly sputtered, the erosion is not constant over the whole surface. This, in consequence, leads to surface modification, which results in an altered erosion rate. Sometimes this modification can lead to the formation of actual structures on the surface, often these structures can be described as quasi-periodic. In this connection they are called ripples. On the one hand, all these effects can be desired (e.g. semiconductor industry), on the other hand these phenomena can lead to serious consequences (e.g. erosion of plasma-facing-components (PFCs) in a fusion device). In a fusion device, erosion of PFCs is an unwanted side effect. It reduces the lifetime of the components. Therefore, gaining a better understanding of plasma-wall-interactions is crucial for the lifetime and durability of future fusion devices. In this work, plasma-wall- interaction processes are studied under controlled laboratory conditions. The Quartz Crystal Microbalance (QCM) technique is used to measure the slightest mass changes of target layers, deposited onto the QCM crystal during irradiation with ions. Two different goals are pursued in this work. The first one is the investigation of surface enrichment of high-Z elements in alloy materials. Here, the target material is an iron- tungsten alloy (98.5 at% iron and 1.5 at% tungsten) which is irradiated by D2+ ions. The reason why this iron-tungsten alloy was used is that it represents a model system for the EUROFER steel. EUROFER steel is currently being investigated for its applicability in recessed areas in future fusion devices. Through a process called preferential sputtering the surface is enriched with -in this case- tungsten. Since tungsten surfaces are much more suitable as PFCs than iron, tungsten containing steels like EUROFER could be a cheaper alternative to a pure tungsten coating in a fusion device. The second goal is to gain a better understanding of when the formation of quasi-periodic surface structures (like ripples) starts, as well as their influence on sputter processes. Therefore, pure iron coated samples are irradiated by Ar+ ions in several fluence steps. Afterwards, investigations under an Atomic Force Microscope (AFM) are carried out, in order to monitor the formation of surface structures.