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Abb 1: Schematischer Aufbau eines Ionenstreuexperiments.
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Daniel Primetzhofer - Überlebende von Frontalzusammenstößen berichten
LEIS: Fundamentals and novel applications
oder
Überlebende von Frontalzusammenstößen berichten
Daniel Primetzhofer
angefertigt an der Abteilung für Atom- u. Oberflächenphysik des Instituts für Experimentalphysik
Bei sehr vielen Objekten sowohl des täglichen Gebrauchs als auch darüber hinaus bestimmt die Oberfläche die für uns wichtigen optischen mechanischen und chemischen Eigenschaften des betreffenden Gegenstandes. Allgemein bekannte Beispiele hierfür sind die Antihaft- Beschichtung einer Bratpfanne, Hologramme auf Geldscheinen oder auch der Katalysator im Auto. Zudem ist in neuerer Zeit immer öfter das Schlagwort Nanotechnologie, womit in der Regel stets Oberflächenmodifikationen eben im Nanometerbereich (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) gemeint sind, zu hören. Um zielgerichtete Forschung auf diesem Gebiet zu ermöglichen sind oberflächenempfindliche Messmethoden erforderlich. Nur mit wenigen, in der Praxis oft sehr aufwendigen, Methoden ist es möglich Information ausschließlich aus den obersten Atomlagen einer Probe zu erhalten.
Die experimentelle Technik der Niederenergie-ionenstreuung ist für diese Präzisionsmessungen hervorragend geeignet - sie ermöglicht gleichzeitig eine Bestimmung sowohl der atomaren Zusammensetzung als auch der geometrischen Struktur des zu untersuchenden Materials. Hierzu werden geladene Atome oder Moleküle in einem elektrischen Feld beschleunigt, und auf eine Probe gelenkt. Die Teilchen werden durch das elektrostatische Feld der Atomkerne der Probe abgelenkt, und teilweise wieder zurückgestreut. Dabei und durch Wechselwirkung mit den Elektronen verlieren sie Energie. Teilchen, die die Probe wieder verlassen, werden mit einem Detektor auf ihre Energie und ihren Ladungszustand untersucht, was Rückschlüsse auf die Prozesse erlaubt, an denen sie beteiligt waren.
In meiner Diplomarbeit beschäftigte ich mich nun auf verschiedenste Weise mit dieser Technologie sowohl aus dem Aspekt der Grundlagen- als auch der angewandten Forschung.
Zu diesem Zweck arbeitete ich an einer Ionenstreuanlage mit Flugzeitmessung am Institut für Experimentalphysik. Hierbei misst man die Zeit die ein Teilchen braucht, um von der Probe bis zum Detektor zu gelangen. Daraus kann dann sehr genau die Energie der Teilchen berechnet werden. Außerdem ist es mit dieser Methode möglich auch die Energie neutraler Teilchen zu bestimmen – für die meisten anderen Detektoren sind diese nämlich aufgrund der fehlenden Ladung quasi unsichtbar.
Abb 2: Teil des TOF-Ionenstreuexperiments ACOLISSA in Linz.
Ein wesentlicher Aspekt meiner Arbeit lag in der Untersuchung der Neutralisation von Ionen an den Oberflächen von Kupfer und Gold. Hierzu untersuchte ich so genannte Einkristalle, das heißt, im Gegensatz zum normalen Material ist die Kristallstruktur in der ganzen Probe gleichmäßig ausgerichtet. Hierbei konnten überraschende, auch für die industrielle Anwendung hochrelevante neue Effekte, die mit den kristallinen Eigenschaften der Probe zusammenhängen, gemessen und erklärt werden. Ich konnte feststellen, dass die Wahrscheinlichkeiten für Neutralisation nicht wie bisher vermutet eine Eigenschaft der Atome sind, sondern mit der gesamten Kristallstruktur zusammenhängt. Auf Basis dieser Erkenntnis, muss mit großen Unsicherheiten in den Auswertungen früherer Messungen zur Bestimmungen von Oberflächenzusammensetzungen ausgegangen werden.
Abb 3: Schematische Darstellung der Neutralisation im Festkörper.
Durch Vergleich von Messungen und in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck Institut für Plasmaphysik (D) entstandenen Computersimulationen wurden neue Erkenntnisse über die wirkende Kraft zwischen den Atomen der Probe und den beschleunigten Teilchen gewonnen und Diskrepanzen zwischen früheren Ergebnissen anderer Forschungsgruppen erklärt werden.
Abb 4: Vergleich: Experiment - Computersimulation
Abb 5: Energiespektren für Goldcluster bei verschiedener Größe und unterschiedlichem Bedeckungsgrad der Oberfläche.
Als neuartige Anwendung der Niederenergie-Ionenstreuung in Kombination mit einem schnellen Computersimulationsprogramm wurde zudem ein Verfahren entwickelt, mit dem Eigenschaften wie Form und Größe von selbst hergestellten Gold-Nanostrukturen bereits während der Herstellung bestimmt werden können.