Wechselwirkung hochgeladener Ionen mit Oberflächen

Die Wechselwirkung von hochgeladenen Ionen bei Annäherung an eine Oberfläche testet die dielektrische Antwort der Oberfläche auf sehr starke Coulombfelder. Das Projektil kann dabei eine große Zahl von Oberflächenelektronen schon bei großen Abständen einfangen. Dieser Prozeß wird manchmal auch als "Staubsauger" Effekt bezeichnet und führt dazu, daß das Ion ein hohles Atom bildet. Die eingefangenen Elektronen sammeln sich in hochangeregten äußeren Schalen des Projektils während der core nahezu unbesetzt bleibt. Dieses hochgradig unstabile Gebilde hat eine sehr kurze Lebensdauer, die dadurch begrenzt wird, daß beim Aufschlag auf die Oberfläche die diffuse Ladungswolke abgestreift wird. Während bislang der Nachweis hohler Atome nur indirekt möglich war, gelang es der japanischen Gruppe um Prof. Yamazaki hohle Atome dadurch herzustellen, daß hochgeladene Ionen durch Mikrokapillare geschossen wurden. Das Atom führt dabei ein "fly-by" an der Mikrooberfläche durch ohne auf ihr aufzuschlagen. Das erlaubt die Spektroskopie und Ladungszustandsanalyse hohler Atome im freien Flug. Wir haben für diese "fly-by" Ereignisse detaillierte Rechnungen durchgeführt, die den direkten Vergleich mit dem Experiment erlauben. Sowohl der Einfang in sehr hohe Zustände wie auch die resultierende Breite der Ladungszustandsverteilung konnte bestätigt werden. Eine weitere Anwendung ergab sich für die Untersuchung von "sputtering" d.h. dem Abdampfen von Oberflächenatomen. Eine Konsequenz des Absaugens einer großen Zahl von Elektronen durch das Projektil ist die hohe Konzentration von elektronischen Löchern in der Oberfläche, die ihrerseits zur Emission von Oberflächenatomen führen kann. Die Konsequenz daraus können Krater und Blasen sein, die im Raster- Tunnelmikroskop direkt sichtbar sind. Für Alkali-Halogenid-Oberflächen konnten wir als dominanten Ablösemechanismus die sogenannten selbstgebundenen Löcher identifizieren. Diese bleiben hinreichend lange an der Oberfläche haften um Oberflächenatome abzulösen. Für diesen sanften Abdampfmechanismus sind zukünftige technische Anwendungen denkbar, insbesondere die kontrollierte Modifikation von Oberflächen auf einer Nanoskala.