Materialanalyse mittels UltrakurzzeitLaser-SIMS und -SNMS

Analysemethoden, die darauf basieren, von der Festkörperoberfläche Teilchen in die Gasphase freizusetzen, wo sie dann nachgewiesen werden können und daraus auf die Zusammensetzung der Oberfläche bzw. des Festkörpers geschlossen wird, sind weit verbreitet und äußerst empfindlich. Meist verwendet man einen Ionenstrahl, um die Teilchen vom Festkörper zu lösen. Trotz langjähriger Forschung auf diesem Gebiet stellt die quantitative Bestimmung der Zusammensetzung aber noch immer ein nicht befriedigend gelöstes Problem dar. Grund dafür ist, daß während der drei erforderlichen Schritte - a) Loslösen der Teilchen aus der Oberfläche, b) Ionisierung der Teilchen, c) Nachweis der ionisierten Teilchen - insbesondere der Ionisationsschritt schwer quantifizierbar ist. Die Ionisierung kann dabei direkt durch den Loslöseprozeß geschehen, oder aber in späterer Folge in der Gasphase mittels Nachionisierungsmethoden. Der Anteil der Ionen während des Emissionsprozesses ist aber stark von der Oberflächenbeschaffenheit abhängig. Außerdem können die Teilchen einzelne Atome, aber auch komplexe Moleküle und Cluster sein. Beide Effekte sind für die quantitative Interpretation aus dem Signal einer spezifischen Masse kontraproduktiv. Im Rahmen dieses Projektes soll der Einsatz von ultrakurzer Laserstrahlung zur Loslösung und nachfolgender Detektion untersucht werden. Dabei soll sowohl die Emission von Sekundärionen direkt aus dem Ablationsprozeß als auch die von Neutralteilchen mit nachfolgender Lasernachionisation in Betracht gezogen werden. Basierend auf Beobachtungen, die wir bei jüngsten Experimenten mit ultrakurzer Laserablation gemacht haben, scheint eine quantitative Analyse mit dieser Methode sehr vielversprechend zu sein. Es scheint durchaus möglich, daß damit in vielen Fällen eine quantitative Analyse ohne umständliche Eichstandards möglich wird. Im Rahmen dieses Projektes soll die Emission sekundärer Ionen und Neutralteilchen bei der Ablation mit ultrakurzer Laserstrahlung im Hinblick auf ihre Verwendung als quantitative Analysemethode im Detail untersucht werden. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen als innovative Techniken die Nachionisation mit ultrakurzer Laserstrahlung und die Pulsformung der Laserpulse zur Optimierung der Quantifizierbarkeit eingesetzt werden. Kurznamen für die beiden Methoden wären UL-LSIMS (Ultra Short-Laser Secondary Ion Mass Spectroscopy) und UL-LSNMS (Ultra Short-Laser Secondary Neutral Mass Spectroscopy).

Im täglichen Leben treffen wir - manchmal ohne es eigentlich zu bemerken - heutzutage auf Anwendungen des Lasers. Laser mit extrem kurzen Pulsen (10 -15s) tauchen dabei immer häufiger auf und erschließen dabei völlig neuartige oder wesentlich verbesserte Anwendungsmöglichkeiten, deren Spektrum von der Herstellung und Bearbeitung von Materialien unter anderem mit extrem kleinen Strukturen (Nanotechnologie) bis zu präziser Laserchirurgie reicht. Die besondere Wirkung der ultrakurzen Laser beruht darauf, dass enorm hohe Lichtintensitäten in sehr kurzer Zeit im Material deponiert werden können. Dadurch werden eine neue Klasse an Prozessen im Material ermöglicht. Im Projekt ist es uns gelungen, ultrakurze Laserstrahlung zur Materialanalyse zu verwenden: dabei dient der Laser einerseits zum definierten Entfernen weniger Atome vom Material und anderseits zum hochempfindlichen Nachweis dieser Atome. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden bietet dies in vielen Fällen Vorteile, z.B. im Hinblick auf die quantitative Bestimmung. Es hat sich aber auch gezeigt, dass die dabei auftretenden physikalischen Prozesse noch nicht verstanden sind und daher auch viele Parameter, die für die Messung notwendig sind (z.B. die Geschwindigkeit der losgelösten Atome) bestimmt werden müssen. Wir haben daher einen großen Teil unserer Forschungen darauf konzentriert, diese Prozesse zu untersuchen und die Parameter zu messen. Es ist uns dabei gelungen, die allgemeine Form der Prozesse bei der Wechsewirkung ultrakurzer Laserstrahlung mit Metallen und Halbleitern zu identifizieren. Diese neuen Erkenntnisse sollten für die bessere Ausnützung der Möglichkeiten ultrakurzer Laser in der Zukunft hilfreich sein.