Electron emission and nanodefects due to slow ion impact on solid surfaces

Abstract

Within this work we have obtained experimental results for total electron emission from graphite and carbon-composite targets due to impact of various singly and multiply charged ions (H+, H2+, H3+, D+, D2+, D3+, N+, Ar+ ,Xe+, Cq+, Nq+ and Oq+). For most of the systems studied such data have not been available in the literature so far. Highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) has been used as target surface as well as graphite tiles from the Tokamak experiment TORE SUPRA in CEA-Cadarache/France. While HOPG is a well-defined standard target in surface science the graphite tiles are of practical interest since they are widely used as plasma facing in magnetically confined fusion devices. The measurements allowed to study the influence of different target properties (like Fermi energy and conductivity) on electron transport and therefore on the kinetic electron emission. New insights into the underlying mechanisms for electron emission have been obtained. In addition we have investigated to what extend electron emission from first wall elements in fusion devices can influence the potential distribution in the plasma sheath and consequently the intensity of plasma wall interaction. This work also presents systematic STM/AFM investigations on nanoscopic defect production on atomically clean surfaces of LiF, muscovite mica, SiO2, Al2O3 and highly-oriented pyrolytic graphite (HOPG) after bombardment by slow (impact energy ;= 1 keV) singly and multiply charged ions under strict UHV conditions. Combined STM- and AFM studies show that on HOPG only "electronic" but no visible topographic defects are created by such ion bombardment. On the monocrystalline insulator surfaces well defined topographic features of typically nm extensions are produced ("potential sputtering"). For Al2O3 and HOPG a clear dependence of the defect size on the projectile ion charge is demonstrated. These results are discussed in view to possible new nanoscopic surface structuring and -modification methods for which the kinetic projectile energy plays a minor role only.

In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Messungen der totalen Elektronenausbeute induziert durch den Beschuss mit verschiedenen einfach und mehrfach geladenen Ionensorten (H+, H2+, H3+, D+, D2+, D3+, N+, Ar+ ,Xe+, Cq+, Nq+ and Oq+) dargestellt. Als Targets wurden hoch orientierter pyrolytischer Graphit (HOPG) und auch ein Graphitziegel vom Tokamak Experiment TORE SUPRA in CEA-Cadarache/France verwendet. Bis zu diesen Messungen waren für diese Ionen-Target-Systeme noch keine Messdaten vorhanden. HOPG ist ein gut charakterisierbares Standardtarget in der Oberflächenphysik. Die Graphitziegel sind von technischem Interesse, da sie ein weit verbreitetes Wandmaterial für Kernfusionsexperimente sind. Diese Messungen erforschen den Einfluss der verschiedenen Targeteigenschaften, wie z.B. Fermienergie und Leitfähigkeit, auf die kinetische Elektronenemission. Dadurch wurde ein besseres Verständnis für die zugrundeliegenden Mechanismen, die zur Elektronenemission führen, erreicht. In weiterer Folge wurde der Einfluss einer erhöhten Elektronenemission auf die Potentialverteilung nahe der "ersten" Wand einer Fusionsanlage untersucht. Diese Verteilung beeinflusst die Intensität der Plasma-Wand-Wechselwirkung. In dieser Arbeit werden auch Untersuchungen von Nanodefekten mittels eines Rastertunnel (STM) - bzw. Rasterkraftmikroskop (AFM) an LiF, Mica, SiO2, Al2O3 und HOPG präsentiert, die durch den Beschuss mit langsamen (kinetische Energie ;= 1 keV) einfach und mehrfach geladenen Ionen entstanden sind. Diese Messungen erfolgten unter UHV-Bedingungen. Durch eine kombinierte AFM- und STM-Untersuchung kann gezeigt werden, dass die Ionen induzierten Defekte auf einem HOPG-Target auf Störungen in der Elektronenkonfiguration zurückzuführen sind, aber nicht zu sichtbaren topographischen Veränderungen an der Targetoberfläche führen. Andererseits zeigt sich, dass auf monokristallinen Isolatoren durch den Beschuss nm große topographische Defekte erzeugt werden. Für Al2O3 und HOPG kann man auch zeigen, dass die Defektgröße vom Ladungszustand der Projektile abhängt ("potential sputtering"). Dieser Effekt könnte für die Nanostrukturierung- und Modifikation von Oberflächen von Interesse sein, da er ohne hohe kinetische Projektilenergie erreichbar ist.