Surface damage through grazing incidence ions investigated by scanning tunneling microscopy

  • Untersuchung des Oberflächenschadens streifend einfallender Ionen mittels Rastertunnelmikroskopie

Redinger, Alex; Michely, Thomas (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2009)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Kurzfassung

Der Oberflächenschaden von streifend einfallenden Ionen wird mittels temperaturvariabler Rastertunnelmikroskopie untersucht. Die Beschußexperimente werden auf einem Pt(111) Kristall durchgeführt. Die Edelgasionen haben eine Energie von 1 keV-15 keV und werden unter einem Winkel von 78.5° bis 88°, bezogen auf die Oberflächennormale, auf das Substrat geschossen. Der Oberflächenschaden, der durch einzelne Ionen erzeugt wird, wird bei tiefen Temperaturen untersucht. Der Schaden auf den flachen Terrassen unterscheidet sich stark vom Schaden an aufwärtsführenden, von den Ionen beleuchteten, Stufenkanten. Auf den Terrassen werden die streifend einfallenden Teilchen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit reflektiert. Es wird nur wenig Energie vom Ion an das Substrat übertragen und der induzierte Schaden ist sehr gering. An beleuchteten Stufenkanten kommt es meistens zu Großwinkelstößen zwischen dem Ion und den Atomen des Substrates. Ein großer Teil der Ionenenergie wird an den Kristall abgegeben und es kommt zu Zerstäubung, Adatom- und Leerstellen-Produktion. Ein Teil der Ionen, die auf die Stufenkante fallen, treten in den Kristall ein, wo sie zwischen zwei Kristalllagen durch Kleinwinkelstöße geführt werden. Diese oberflächennahe Kanalisierung der Ionen (engl. subsurface channeling) zeichnet sich durch einen sehr geringen Energieverlust aus. Die geführten Ionen legen deshalb weite Strecken zwischen den Lagen zurück (über 100nm). Während des Channelings kommt es zu Oberflächenschaden. Je nach Ionenenergie und Ionenart werden Adatom-Leerstellen-Paare oder ein atomar schmaler Leerstellenkanal auf der Oberfläche erzeugt. Der Schaden kann dazu benutzt werden, die Bahn der Ionen im Kristall zu verfolgen. Die Anzahl der zerstäubten Atome pro einfallendes Ion (die Zerstäubungsausbeute) wird für aufwärtsführende Stufenkanten bestimmt. Bei einem Beschusswinkel von 86° kann die durch Zerstäubung induzierte Wanderung von aufwärtsführenden Stufenkanten ermittelt werden. Hieraus kann man unmittelbar die Zerstäubungsausbeute berechnen. Bei weniger streifenden Winkeln kann diese anhand der Stufenkonzentration und der abgetragenen Menge bestimmt werden. Es zeigt sich, dass die Zerstäubungsausbeute von der Richtung der einfallenden Ionen abhängt. Dies kann auf unterschiedliche Channeling Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen kristallographischen Orientierungen zurückgeführt werden. Die Zerstäubungsausbeute an Stufenkanten wird ebenfalls für kleine Adatomcluster bestimmt. Die Ausdehnung der obersten Terrasse ist hier, im Vergleich zu großen Inseln, sehr viel kleiner. Die Ionen, die an den Stufen eintreten und geführt werden, besitzen eine hohe Wahrscheinlichkeit auf der anderen Seite wieder aus dem Kristall auszutreten ohne Schaden zu erzeugen. Die Zerstäubungsausbeute an den Clustern ist deshalb, ist im Vergleich zu großen Adatominseln, um einen Faktor drei kleiner. Der Einfluss von Adsorbaten auf den Terrassen wird für den Fall der Sauerstoff und Kohlenmonoxidadsorption untersucht. Im Vergleich zu adsorbatfreien Terrassen steigt die mittlere Zerstäubungsausbeute stark an. Es kann eine Erhöhung bis zu einem Faktor vierzig ermittelt werden. Adsorbate erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Großwinkelstößen auf der Terrasse. Dies führt zu einer erhöhten Zerstäubungsausbeute und Oberflächenschaden in Form von Adatomen und Leerstellen. Schlussendlich wird die Vergröberung von Wellenmustern, die durch streifenden Ionenbeschuss erzeugt werden, untersucht. Für Substrattemperaturen unterhalb von 450K erfolgt die Vergröberung nicht durch Diffusion oder Minimierung der freien Oberflächenenergie, sondern athermisch. Die Auslöschung von Defekten im Wellenmuster, und die damit einhergehende Vergrößerung der Wellenlänge, ist vergleichbar mit Defekt-Reaktionen in Dünenfeldern. Es wird gezeigt dass die, durch den Ionenbeschuss induzierte Bewegung von Stufenkanten, für die Auslöschung von Defekten verantwortlich ist.

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