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Abb. 1: Funktionsweise der Ionenstreuung – Die Energie der rückgestreuten Projektile gibt Aufschluss über die Zusammensetzung und Dicke des Target-Materials. Für quantitative Information ist das Wissen über Energieverlust im Festkörper entscheidend.
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Dietmar Roth - Bremsspuren in Computerchips: Energieverlust von Ionen in Halbleitern
Electronic interactions of slow hydrogen and helium ions with silicon and germanium
oder
Bremsspuren in Computerchips: Energieverlust von Ionen in Halbleitern
Dietmar Roth
angefertigt an der Abteilung für Atomic Physics and Surface Science des Instituts für Experimentalphysik der JKU.
Ionen
Ionen sind Atome oder Moleküle, den ein oder mehrere Elektronen fehlen und die daher elektrisch geladen sind. Sie finden sich in vielen Bereichen unserers täglichen Lebens:
Sie sind im Salzwasser beim Kochen, in den Akkus elektronischer Geräte, in Gewitterblitzen, aber auch im Inneren von Sternen.
Die Tasache, dass Ionen geladen sind, kann zum „Billardspiel mit Atomen“ verwendet werden – der Ionenstreuung. Die Gesetze der Physik sind für solche Stöße von Atomen genau dieselben wie für die Kugeln am Billardtisch, auch wenn das Experiment im Labor auf den ersten Blick nicht danach aussieht. Anstelle des grünen Tisches tritt eine Edelstahl-Vakuumkammer verziert mit Pumpen, Elektronik und jeder Menge verschiedener Kabel.
Die Zutaten für das Atom-Billard sind schnell erklärt: Als Spielbälle dienen wahlweise Wasserstoff- oder Helium-Ionen – die sogenannten Projektile, die auf die „Objektbälle“, die Atome des zu untersuchenden Festkörpers – das Target-Material – geschossen werden. Fehlt noch das Queue: Die für den Stoß nötige Anfangsgeschwindigkeit bekommen die Projektile durch einen Teilchenbeschleuniger, der eine Hochspannung von tausenden bis hunderttausenden Volt erzeugt und die Ionen – dank ihrer Ladung – beschleunigt.
Wie kommt man jetzt aber zu den Bremsspuren?
Wenn ein Ion auf das Target auftrifft, so kann es entweder mit den Atomkernen oder mit den umgebenden Elektronen zusammenstoßen oder – wie wir PhysikerInnen sagen – "wechselwirken". In diesen Stößen mit Atomkernen verlieren die Ionen nun, und zwar abhängig vom Masseunterschied, einen Teil ihrer Bewegungsenergie und übertragen diese auf die Stoßpartner – ein Billardspiel mit unterschiedlich schweren Kugeln.
In einem Festkörper befinden sich aber noch eine große Menge weiterer Wechselwirkungskandidaten – die Elektronen. Ihre Masse ist zwar 1836 mal kleiner als die eines Wasserstoff-Ions, jedoch durch ihre große Anzahl sorgen auch sie für eine kontinuierliche Abbremsung des Ions auf seinem Weg durch das Material. Ein entsprechender Billardtisch wäre von 2-3 mm große Sandkörnern übersät, die diese Rolle übernehmen würden – die Elektronen sind sozusagen der Sand im Getriebe der Ionenstreuung.
Was macht die Abbremsung von Ionen für die Grundlagenforschung nun so interessant, dass dieses Feld seit mehr als 100 Jahren wissenschaftlich untersucht wird?
Elektronen sind für viele Eigenschaften eines Festkörpers entscheidend, zum Beispiel ob dieser elektrischen Strom gut, gar nicht oder unter bestimmten Umständen leitet – anders ausgedrückt, ob das Material ein Metall, ein Isolator oder ein Halbleiter ist. Die Unterschiede und Gemeinsamkeiten in der Abbremsung von Ionen in diesen unterschiedlichen Materialklassen zu untersuchen, hat schon viele Antworten zum grundlegenden Verständnis in der Atom- und Festkörperphysik geliefert.
Natürlich sind solche aus Energieverlustmessungen gewonnenen Erkenntnisse nicht nur für die Grundlagenforschung von Interesse: Besonders hilfreich sind genauere Ergebnisse bespielweise für die Materialforschung, z.B. hinsichtlich der Beschaffenheit der Innenwände von Fusionsreaktoren, für die Medizin, z.B. bei der Bestimmung der Reichweite von Ionen in der Strahlentherapie, oder in der Raumfahrt,wo man Strahlenschäden an der Elektronik von Satelliten durch den Sonnenwind möglichst gering halten möchte.
Abb. 2: Der elektronische Bremsquerschnitt von Si für H und He Ionen - Ähnlich einer Reibungskraft steigt er für H linear mit der Geschwindigkeit. Eine spannende Frage für die Grundlagenforschung: Wodurch entsteht der Knick bei He?
Sand und Elektronik schlagen nun die Brücke zum Thema meiner Diplomarbeit:
In dieser Arbeit untersuchte ich den Energieverlust von Ionen in Silizium und Germanium. Mein Ziel war es, herauszufinden, wie sich ein Halbleiter — das „Bindeglied“ zwischen Metallen und Isolatoren — bei Beschuss mit Ionen verhält.
Abb. 3: Silizium – Der am häufigsten für elektronische Bauteile verwendete Material und damit heute in z.B. jedem Smartphone zu finden…
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