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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 [email protected]
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
