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Dominik Göbl: Laden und feuern - von Ionen und Oberflächen
Charge exchange of slow He ions at metal surfaces
oder
Laden und feuern - von Ionen und Oberflächen
Dominik Göbl
angefertigt an der Abteilung für Atom- und Oberflächenphysik des Instituts für Experimentalphysik
Auch wenn es den meisten Leuten nicht bewusst ist, Oberflächen spielen eine sehr wichtige Rolle in unserem Leben. Die Funktionsweise von so alltäglichen Dingen wie der Antihaftbeschichtung einer Bratpfanne oder von Katalysatoren in Autos basiert darauf, dass Atome und Moleküle mit bestimmten Eigenschaften an der Oberfläche sitzen. Aber auch für viele Zukunftstechnologien wie zum Beispiel neuartige Solarzellen werden hoch-spezielle Oberflächen benötigt. Um in diesem Bereich neue Entwicklungen voranzutreiben, braucht es Methoden mit denen man herausfinden kann, wie eine Oberfläche genau zusammengesetzt ist.
Eine solche Methode ist die Niederenergie-Ionenstreuung. Das Prinzip ist denkbar einfach und kann mit Atom-Billiard verglichen werden: Man nimmt ein Helium Ion (das Projektil) und schießt es auf eine Oberfläche. Dort kollidiert das Helium mit einem Oberflächenatom und wird abgelenkt – diesen Prozess nennt man Streuung. Die Energie, die das Helium-Ion bei der Kollision verliert, hängt davon ab wie schwer der Kollisionspartner ist. Schwere Atome streuen das Projektil mit hoher, leichte hingegen nur mit geringer Energie zurück.
Schwere und leichte "Atome", Animationen der Präsentation entnommen.
Abbildung 1: Die Funktionsweise der Niederenergie-Ionenstreuung. Hier wird ein Helium Atom auf eine Gold-Oberfläche geschossen.
Helium Ionen werden sehr schnell neutralisiert, wenn sie in die Oberfläche eindringen. Misst man nur die rückgestreuten Helium-Ionen (also nur die geladenen Teilchen), erhält man Informationen über die äußersten Atomlagen. Um die Ergebnisse aus den Messungen richtig auszuwerten, ist es aber entscheidend zu wissen, wie gut die Helium Ionen von den Oberflächen-Atomen neutralisiert werden.
Diesem Thema widmete ich mich daher in meiner Diplomarbeit. Mit Computersimulationen erforschte ich die Neutralisationswahrscheinlichkeit für Helium an verschiedenen Metalloberflächen.
Abbildung 2: Dieses Bild zeigt die Wahrscheinlichkeit für die Neutralisation eines Helium Ions vor einer Silber-Oberfläche. Je heller ein Bereich ist, desto wahrscheinlicher wird das Ion dort neutralisiert.
Durch meien Berechnungen konnte ich zeigen, wie spezifische Eigenschaften der Metalle und des Ions den Neutralisations-Prozess beeinflussen. Die Ergebnisse wurden bereits bei zwei internationalen Tagungen präsentiert und in renommierten Fachzeitschriften publiziert.
Abbildung 3: Mit Hilfe von Computersimulationen kann man genau berechnen, wie stark die verschiedenen Atome zur Neutralisation beitragen. Auf diesem Bild kann man zum Beispiel erkennen, dass die Neutralisation fast nur von dem Atom bestimmt wird, an dem das Ion gestreut wird.
Die Niederenergie-Ionenstreuung wird sowohl zur Erforschung neuer Technologien für Brennstoffzellen, zur Suche geeigneter Materialien für Fusionsreaktoren, als auch zur Entwicklung der nächsten Generation von Computerchips eingesetzt. Die Erkenntnisse aus der Diplomarbeit ermöglichen somit die Verbesserung einer wichtigen Methode, die bei der Entwicklung zahlreicher Zukunfts-Technologien im Einsatz ist.