Electron emission from insulators induced by the impact of fast light ions

Treffen schnelle Teilchen, Atome, Ionen oder Elektronen, auf eine Festkörperoberfläche, so dringen diese in den Festkörper ein und geben dort einen Teil ihrer Energie an Elektronen des Festkörpers ab. Einige dieser so angeregten Elektronen können nun wieder den Festkörper verlassen. Es war nun das Ziel diese Projektes diesen Vorgang, den man kinetische Elektronen-Emission nennt, für Isolatoroberflächen quantitativ zu untersuchen, da es bisher nur wenig verläßliche Messungen dazu gab. Es wurde neben anderem gemessen, wie die mittlere Anzahl von emittierten Elektronen pro auftreffendes Teilchen, die auch Ausbeute genannt wird, vom Probenmaterial und der Probentemperatur so wie von den Eigenschaften der auftreffenden Projektile, wie Energie und Ladung, abhängen. Es wurde auch eine, nicht erwartete, Anwendung der Elektronen-Emission gefunden zur Analyse der Zeitabhängigkeit von Oxidationsvorgängen auf Aluminium- und Magnesium-oberflächen. Die Ergebnisse der Messungen der Elektronen-Ausbeute ergaben keine Überraschungen. Die Größe der Ausbeute wird weitgehend durch den Energieverlust bestimmt, den die Projektile in der Oberflächenschicht haben. Es wurde aber gefunden, daß die Ausbeute nicht linear mit dem Energieverlust ansteigt, was auf den Einfluß eines positiven Ladungskanales entlang der Projektilbahn im Isolator zurückgeführt werden kann. Die mittlere Anzahl der emittierten Elektronen war stets größer als die von Metallen für gleiche Projektile, da bei Isolatoren Elektronen auch aus tieferen Schichten noch emittiert werden als bei Metallen, was auch experimentell überprüft werden konnte. Bisher wurde angenommen, daß die Probentemperatur nur einen vernachlässigbaren kleinen Einfluß auf die Elektronenemission hat, es gab aber dazu noch keine verläßlichen Messungen. Es wurde daher im Rahmen dieses Projektes erstmals die Abhängigkeit der Elektronen-Ausbeute von der Probentemperatur bestimmt. Bei Metallen wurde ein signifikante, kleine Abnahme der Ausbeute mit steigender Probentemperatur beobachtet, die auch von der Projektilart abhängt. Bei einigen Isolatoren wurde aber eine nicht erwartete starke Abhängigkeit der Ausbeute von der Probentemperatur gefunden, die noch nicht verstanden wird. Bei diesen Isolatoren wurde auch eine starke Abhängigkeit der Ausbeute von der Struktur des Isolators gemessen. Neben der mittleren Anzahl von emittierten Elektronen, der Ausbeute, wurde auch die Wahrscheinlichkeiten, mit der eine gegebene Anzahl von Elektronen emittiert wird, bestimmt. Diese Emissionsstatistik zeigte bei Metalloxiden ein sehr ähnliches Verhalten wie das von Metallen, bei einigen anderen Isolatoren wurden aber signifikante Abweichungen von diesen Verhalten gefunden, die noch nicht ganz verstanden werden. Ein weiteres interessantes, nicht erwartetes, Ergebnis wurde bei der Untersuchung von sehr dünnen Oxidschichten auf Metallen gefunden. Es wurde dabei die zeitabhängige Änderung der Ausbeute einer reinen Aluminium- Oberfläche gemessen, auf die Sauerstoff trifft und die daher zu oxidieren beginnt. Da die Elektronen-Emission sehr empfindlich für kleine Änderungen der Oberflächeneigenschaften ist und Änderungen der Elektronenausbeute schnell gemessen werden konnten, war es möglich die Zeitkonstanten, welche die Geschwindigkeit des Oxidationsprozeß bestimmen, erstmals zu messen. Damit konnte gezeigt werden, daß die kinetische Elektronen- Emission nicht nur Informationen zum Verständnis der Wechselwirkung von schnellen Teilchen und Festkörpern liefert, sondern auch als neue Untersuchungsmethode von Oberflächenprozessen wie Oxidation erfolgreich angewendet werden kann.