Bandstruktureffekte im Elektronischen Energieverlust (BEES)

Elektronische Wechselwirkungen von Ionen mit Materie sind sowohl in angewandter Wissenschaft als auch in der Grundlagenforschung von großem Interesse. Viele technische Anwendungen zur Analyse oder Modifikation von Materialeigenschaften beruhen auf Ionenstrahlen und benötigen deshalb quantitative Informationen über den Energieverlust von Ionen in Festkörpern. Bei hohen Energien ist sowohl ein qualitatives Verständnis als auch die Möglichkeit einer quantitativen Vorhersage der abbremsenden Kraft auf die Ionen (Stopping power) vorhanden. Bei Ionen niedriger Energie sind die Wechselwirkungs-mechanismen jedoch nicht ausreichend gut erklärt. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen eine starke Abhängigkeit der Stopping power bei niedrigen Ionengeschwindigkeiten von der elektronischen Struktur der Probe. Darüber hinaus kann für verschiedene Materialklassen - Metalle, Halbleiter und Isolatoren - die beobachtete Abhängigkeit des Energieverlusts von charakteristischen Anregungsschwellen nicht in einem gemeinsamen Modell beschrieben werden. Deshalb ist eine experimentelle Studie mit theoretischer Unterstützung geplant, um eine sinnvolle Klassifizierung und eine Beschreibung der Wechselwirkung zu finden. Als experimentelle Methode wird Flugzeit-Niederenergieionenstreuung (TOF-LEIS) bei niedrigen Ionengeschwindigkeiten für Materialien mit komplexer elektronischer Struktur verwendet werden. Amorphe und einkristalline Proben ausgewählter Metalle, intrinsischer und dotierter Halbleiter und Isolatoren mit verschiedener Bandlücke werden untersucht. Die Resultate werden es ermöglichen die folgenden Fragestellungen beantworten: (1) Warum sind die Anregungsschwellen für elektronischen Energieverlust in Isolatoren im Vergleich mit den Werten für Metalle und Halbleiter so niedrig? (2) Ist es möglich die Beziehung zwischen den Schwellgeschwindigkeiten für elektronischen Energieverlust und den Bandlücken zu verstehen? (3) Kann man die elektronischen Wechselwirkungen mit ionischen und kovalenten Isolatoren sowie Halbleitern anhand eines Modells erklären? (4) Gibt es einen messbaren Einfluss von Dotierungen auf die Abbremsung von Ionen im Bereich der Anregungsschwelle? (5) Hängt der elektronische Energieverlust auf signifikante Weise von der Anzahl der Defekte im Material ab? Als Folge davon: gibt es einen Unterschied zwischen Einkristall und amorpher Probe? Die Ergebnisse des geplanten Projektes werden einen wesentlichen Fortschritt im physikalischen Verständnis der Ionen-Festkörper Wechselwirkung darstellen. Nicht zuletzt deshalb werden diese auch für vielfältige technologische Anwendungen wie Ionenimplantation und Fusionsforschung von großem Interesse sein.

Energiereiche atomare Teilchen (Ionen, Elektronen) sind in vielen verschiedenen unabhängigen Bereichen von Bedeutung, beispielsweise in der kosmischen Hintergrundstrahlung, die einen wesentlichen Teil der natürlichen Radioaktivität darstellt, oder in Fusionsreaktoren, die als mögliche zukünftige Energiequelle intensiv erforscht wird, und nicht zuletzt in der Strahlentherapie mit Teilchenstrahlen, zum Beispiel in der im Bau befindlichen Bestrahlungseinrichtung MedAustron in Wr. Neustadt. Da Ionen zur Klasse der ionisierenden Strahlung gehören, können sie in Stößen mit Atomen Energie an die Elektronen des Atoms übertragen und werden dabei abgebremst. Für schnelle Ionen (mit einer Geschwindigkeit größer als ungefähr 10 % der Lichtgeschwindigkeit) sind die Prozesse der Energieübertragung seit langer Zeit gut verstanden, für langsame Ionen (mit einer Geschwindigkeit kleiner als ungefähr 1 % der Lichtgeschwindigkeit) ist jedoch noch nicht klar, welche Prozesse beim Abbremsprozess wesentlich sind. Ziel des vorliegenden Projektes war zur Klärung dieser Frage beizutragen, insbesondere sollte untersucht werden, inwieweit für die leichtesten Ionen Protonen und Heliumionen der Abbremsprozess von den Eigenschaften der Leitungselektronen in verschiedenen Metallen bzw. der Valenzelektronen in Halbleitern und Isolatoren abhängt. Es war schon vor Beginn des Projekts bekannt, dass für Ionen, deren Geschwindigkeit ähnlich jener der schnellsten Leitungselektronen ist, die Abbremsung durch die effektive Dichte der Leitungselektronen bestimmt wird. Außerdem wusste man, dass für die Edelmetalle die Energieverteilung der Leitungselektronen (Bandstruktur) die Abbremsung der Protonen und Heliumionen beeinflusst. Deshalb wurde im Projekt BEES (Band-structure Effects in Electronic Stopping) untersucht, wie sich die Bandstruktur von Metallen und Halbleitern auf das Abbremsvermögen auswirkt. Die Bremskraft für Protonen und Heliumionen wurde in metallischen Proben unterschiedlicher Bandstruktur (Ni, Zn, In, Ta, Pt), in elementaren Halbleitern (Si, Ge), in halbleitenden Verbindungen (ZnO, ZnS und VO2) und in nichtleitenden Verbindungen (HfO2, Ta2O5) gemessen. Für die Metalle ergab sich, dass die d-Elektronen, die für die Farbe von Kupfer und Gold verantwortlich sind, durch langsame Protonen nicht angeregt werden können, wohl aber durch langsame Heliumionen. Die Ergebnisse fuer die Halbleiter sind komplexer und erfordern Kooperation mit Theoretikern (z.B. Prof. Artacho, San Sebastian), um die zugrundeliegenden Prozesse zu verstehen. Durch experimentbedingte Verzögerungen können die Messungen an Vanadiumoxid erst nach Abschluss des Projekts durchgeführt werden. Dieses Material 5 erfährt bei 65? C eine Umwandlung von einem Halbleiter zu einem Metall. Daher ist dies ein Schlüsselexperiment für die Beantwortung der Frage, ob in Metallen und Halbleitern die Abbremsung langsamer Ionen durch dieselben Mechanismen erfolgt.