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Festkörperanalyse mit energiereichen Teilchen

1.1 Grundlagen der Ion-Festkörper-Wechselwirkung 1.2 Experimentelle Ausstattung 1.3 Methoden der Ionenstrahlanalyse 1.4 Sekundärionenmassenspektrometrie 1.5 Neutronenstreuung

Dr. Frank Schrempel Phone: +49 3641 9-47807 Frank.Schrempel@uni-jena.de

Abb. FZ Rossendorf

Festkörperanalyse mit energiereichen Teilchen Grundlegende Prozesse

Sputtern (eV…keV)

Materialabtragung • Strukturierung • Glättung • Ionenquellen • Analyse (SIMS)

Absorption (keV)

Streuung, Anregung (keV…MeV)

Aufschmelzen (MeV…GeV)

Ionenimplantation • Dotierung • Schädigung

Ionenstrahlanalyse • Stöchiometrie • Kristallqualität

Ionenspuren • Nanoporen

HMI Berlin

Festkörperanalyse mit energiereichen Teilchen Anwendung von Ionenstrahlen

[1] G. Götz, K. Gärtner High Energy Ion Beam Analysis of Solids Akademie-Verlag (1988)

[2] J.R. Tesmer, M. Nastasie Handbook of modern ion beam materials analysis Materials Research Society (2010)

[3] S.A.E. Johansson, J.L. Campbell PIXE: A Novel Technique for Elemental Analysis John Wiley & Sons (1988)

[4] K.N. Tu, R. Rosenberg Analytical Techniques for Thin Films Academic Press (1988)

[5] Y.-H. Ohtsuki Charged Beam Interaction with Solids Taylor and Francis Ltd. (1983)

[6] H.O. Brünner, J. Heydenreich, K.H. Krebs Festkörperanalyse mit Elektronen, Ionen und Röntgenstrahlen Deutscher Verlag der Wissenschaften (1980)

Festkörperanalyse mit energiereichen Teilchen Literatur

KAPITEL 1 – Grundlagen der Ion-Festkörper-Wechselwirkung

1.1 Wechselwirkungsprozesse

1.2 Amorphe Festkörper

1.3 Einkristalline Festkörper

1.1 Wechselwirkungsprozesse

1.1.1 Nukleare Wechselwirkung

1.1.2 Elektronische Wechselwirkung

1.1.3 Zusammenfassung

De-Broglie-Wellenlänge Wechselwirkungszeit

7

1E-3 0.01 0.1 1 10 100 10001E-5

1E-4

1E-3

0.01

deBr

oglie

wav

elen

gth

[nm

]

ion energy [keV]

He ions

Ion-Festkörper-Wechselwirkung Charakteristische Größen

1E-3 0.01 0.1 1 10 100 1000

1E-17

1E-16

1E-15

1E-14

inte

ract

ion

time

[s]

ion energy [keV]

He ions

•ϑ(s)

E-Tn(s)

Stoßparameter s

Energie EIon

Bewegung des Atoms

•ϑ(s)

E-Tn(s)

Stoßparameter s

Energie EIon

Bewegung des Atoms

• E-Te(s)

Ionisation des Atoms

Anregung des Atoms

Stoßparameter s

Energie E

Ion• E-Te(s)

Ionisation des Atoms

Anregung des Atoms

Stoßparameter s

Energie E

Ion

Elastische Streuung der Ionen → Sn Anregung des Elektronensystems → Se

Ion-Festkörper-Wechselwirkung

Nukleare Wechselwirkung Elektronische Wechselwirkung

∫= TdS σBremsquerschnitt:

dσ – differentieller Wirkungsquerschnitt T – auf Targetatom übertragene Energie

dσ, T und damit S abhängig von: - Massen von Ion und Target, M1 und M2 - Ordnungszahlen von Ion und Target, Z1 und Z2 - Ionenenergie E

Abschirmfunktionen für universale Wechselwirkungspotenziale

Ion-Festkörper-Wechselwirkung Interatomares Wechselwirkungspotenzial

aus [1]

Streuung eines Ions der Geschwindigkeit v an einem ruhenden Atom

aus [1]

Ion-Festkörper-Wechselwirkung Stoßkinematik

Streuung eines Ions der Geschwindigkeit v an einem ruhenden Atom

Ion-Festkörper-Wechselwirkung Stoßdynamik, Wirkungsquerschnitt

Übertragene Energie und differentieller Wirkungsquerschnitt

Ion-Festkörper-Wechselwirkung

aus [1]

1.2 Amorphe Festkörper

1.2.1 Mittlerer Energieverlust

1.2.2 Nuklearer Energieverlust

1.2.3 Elektronischer Energieverlust

Nuklearer Energieverlust als Funktion der Ionenenergie

Ion-Festkörper-Wechselwirkung

Mittleres Anregungspotenzial der Elemente

Ion-Festkörper-Wechselwirkung

Elektronischer Energieverlust bei kleinen Energien

Firsov-Theorie Lindhard-Scharff-Theorie

aus [1] aus [1]

Ion-Festkörper-Wechselwirkung

Elektronischer Energieverlust als Funktion der Ionenenergie

Ion-Festkörper-Wechselwirkung

Energieverluste als Funktion der Ionenenergie

Gesamtenergieverlust:

Ion-Festkörper-Wechselwirkung

NSdxdE

=−

N - atomare Dichte des Targets S - Bremsquerschnitt pro Atom

Energieverlust pro Ion und Weglänge:

e n NS NS dx dE + = −

1.3 Einkristalline Festkörper

1.3.1 Korrelationseffekte

1.3.2 Axiale Kanalisierung

Winkelverteilung rückgestreuter Ionen

Ion-Festkörper-Wechselwirkung Blockierung

Einschuss in zufälliger Richtung (random)

Protonogramm

→ Aussage über Kristallstruktur

Ion-Festkörper-Wechselwirkung Blockierung

Winkelverteilung

Ion-Festkörper-Wechselwirkung Kanalisierung

Einschuss in ausgezeichnete Kristallrichtung

theoretische Beschreibung

→ Aussage über Defekte

Ion-Festkörper-Wechselwirkung Kanalisierung