Titelaufnahme

Titel
The interaction of highly charged ions with insulating matter : capillary guiding and related phenomena / Gregor Kowarik
VerfasserKowarik, Gregor
Begutachter / BegutachterinAumayr, Friedrich
Erschienen2011
Umfang110, 2 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2011
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Ionen Oberflächen Wechselwirkung / Hoch geladene Ionen / Oberflächenphysik
Schlagwörter (EN)ion surface interaction / highly charged ions / surface physics / capillary guiding
Schlagwörter (GND)Mehrfach geladenes Ion / Oberfläche / Wechselwirkung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-39052 Persistent Identifier (URN)
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The interaction of highly charged ions with insulating matter [1.78 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von (ein- und mehrfach geladenen) Ionen mit Oberflächen. Das betrachtete Energie-regime reicht dabei von etwa 100 eV bis zu einigen 10 keV, sowohl was die kinetische, als auch die potentielle Energie der Ionen anlangt. Dabei versteht man unter der potentiellen Energie von Ionen im Wesentlichen die Summe der Ionisationsenergien, die notwendig war um den endgültigen Ladungszustand des Ions zu erreichen. Diese kann, im Fall von hoch geladenen Ionen, durchaus einigen 10 keV ausmachen und die kinetische Energie in den betrachteten Fällen auch übertreffen.

Besonderes Augenmerk der Arbeit liegt auf der Untersuchung des 2002 erstmals in der Literatur erwähnten "capillary guiding" Effektes, der sich kurz wie folgt zusammenfassen lässt: Trifft ein geladenes Teilchen, in diesem Fall ein mehrfach geladenes Ion, unter einem Kippwinkel auf eine isolierende Kapillare, wird es vor dem Auftreffen auf die innere Oberfläche neutralisiert. Bei diesem Prozess verbleibt eine Nettoladung an der Oberfläche, die erst allmählich durch Ladungstransport abgebaut werden kann. Nachfolgende Projektile werden von dem erzeugten elektrischen Feld abgelenkt und treffen an einer anderen Stelle auf die Oberfläche. Es zeigt sich nun, dass in einer Art selbstorganisiertem Prozess, Ladungsansammlungen entstehen, die letzten Endes zur Transmission der Projektile durch die Kapillare führen. Interessanter Weise, zeigen die mehrfach geladenen Primärteilchen nach dem Durchtritt durch die verkippte Kapillare noch immer den gleichen Ladungszustand, wie zu Beginn, was eindeutig zeigt, dass die transmittierten Ionen nie in direkten Kontakt mit der inneren Oberfläche der Kapillare gekommen sind. Die ursprünglichen Arbeiten verwendeten dabei Nano-Kapillaren, d.h. eine große Zahl an parallelen ,Röhren' durch eine PET-Folie, mit Durchmessern in der Größenordnung von 100 nm. In dieser Arbeit liegt das Augenmerk nun auf makroskopischen Kapillaren, also einem einzelnen Glasröhrchen, etwa 1 cm lang. Dabei wird der fundamentale Guiding Prozess untersucht und anschließend der Möglichkeit nachgegangen, die Stärke des Guidings zu verändern, indem die Leitfähigkeit des Materials variiert wird. Dies geschieht durch Temperaturänderung innerhalb eines Bereiches von rund 100C, die, wie sich letztendlich herausstellte, den Guiding Effekt massiv beeinflusst.

Neben dem Effekt des Capillary Guiding, werden in dieser Arbeit verschiedene weitere Aspekte der Wechselwirkung von Ionen mit Oberflächen untersucht. Dabei liegt ein Fokus auf der beschussinduzierten Emission von Elektronen für verschiedenste Projektile, sowie dem möglicherweise interessantesten Anwendungsfall für den "Capillary Guiding Effect", der Erzeugung von wohldefinierten Defekten an einer Oberfläche durch den Beschuss mit hoch geladenen Ionen. Vor kurzem wurde diesbezüglich entdeckt, dass Ionen, die eine ausreichend hohe potentielle Energie durch entsprechend hohe Ladungszustände tragen, einzelne Defekte an Oberflächen erzeugen können, die möglicherweise für lithographische Zwecke verwendet werden können.

Die Besonderheit liegt hierbei auf der Vermeidung von Stoßkaskaden in der Probe, da sehr langsame Ionen verwendet werden könne. Schließlich könnten sich nach vorne verjüngende Glaskapillaren ein nützliches Werkzeug sein, um einen entsprechend hoch geladenen Ionenstrahl direkt auf einer Probe zu platzieren.

Zusammenfassung (Englisch)

This work deals with the interaction of (singly- and multiply-charged) ions with surfaces. The respective energy regime, kinetic and potential, respectively, ranges from about 100 eV up to several 10s of keV. Potential energy, in this respect, is equivalent to the sum of ionisation energies, spent to ionise the ion to its final charge-state. This potential energy can reach considerable values of more than 10 keV for highly charged ions, even higher than the kinetic energy.

This work especially focuses on the so-called capillary guiding effect, first mentioned in the literature in 2002. This effect can be understood by the following simple description: Whenever a charged particle impinges a capillary, which is tilted with respect to the beam axis, it becomes neutralised when hitting the inner surface. Thus, the missing electrons at the surface cause a net positive charge remaining at the impact site. In an insulator, the weak charge transport causes these charges to remain at the surface for some time. During this period, following projectiles are being deflected by the remaining electric field and hit the surface at a slightly different position. It turns out, charge-patches are forming in a self- organised way, such that the beam is eventually transmitted. Interestingly, multiply charged ions (to large extent) do not undergo any charge exchange, thus are transmitted in their initial charge-state. This shows, that the transmitted projectiles do not get into close contact to the inner wall of the capillary. Pioneering work has been done using nano-capillaries, i.e. a large number of parallel 'tubes' through a PET foil, with diameters in the 100 nm regime.

In this work, however, the focus lies on macroscopic capillaries, thus, a single glass tube, about one cm long. The fundamental process of guiding is investigated and especially the question, whether this effect can be varied in its strength by changing the material's conductivity.

This is done via variation of the temperature within a range of about 100C. Finally it turned out, that this variation has major impact onto the guiding phenomenon.

Besides the guiding effect, other aspects of the interaction between ions and surfaces are investigated as well. One important phenomenon is electron emission upon ion impact, or the creation of well-defined surface defects due to the interaction with highly-charged ions. The latter could well lead to an interesting application for the capillary guiding effect, due to the possibility using tapered capillaries with a very small outlet diameter to position the ion beam precisely. It was only recently, one has found, that the high potential energy carried by a highly-charged ion can lead to the formation of a single defect on the surface at each individual impact site. Depending on the sample material, this defects can be of a different nature, like holes or hillocks. Such very slow highly-charged ions could possibly be used for lithographic purposes, because of the advantage of producing no collisional cascade in the bulk. As mentioned, a capillary might be a proper tool for such a purpose.