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Nanostrukturen

Fokussierte Ionenstrahlen haben sich als ideale Methode der Mikro- und Nanotechnologie sowohl in der Präparation als auch in der Analytik bewährt. Entsprechend dem breiten Anwendungsbereich gibt es viele verschiedene Anlagen, die sich durch die mögliche Ionenenergie, Ionenstrom und laterale Auflösung unterscheiden. Zur Synthese von Nanostrukturen für elektronische, optoelektronische und auch optische Anwendungen ist die Ionenstrahltechik aufgrund ihrer unikalen Möglichkeiten und exzellenten Kontrollierbarkeit ein wichtiges Werkzeug.

Erosion und Glätten
Teilchenstrahlen aus niederenergetischen Ionen oder Atomen eignen sich in besonderer Weise zur hochpräzisen Bearbeitung verschiedenster Festkörperoberflächen. Dazu wird die Oberfläche im Vakuum mit Teilchen beschossen. Ähnlich wie beim Prozeß des Sandstrahlens oder der Erosion von Oberflächen durch Wind und Wasser trägt der Ionenstrahl Material von dem Festkörper ab. Allerdings sind sowohl die abtragenden als auch die abgetragenen »Körner« nur wenige Bruchteile eines Millionstel Millimeters groß.

Das ionenstrahlgestützte Ätzen wird zunehmend als ein hochpräziser Oberflächenbearbeitungsprozess hochwertiger optischer, elektronischer und mechanischer Produkte eingesetzt. Neben sphärischen und ebenen Oberflächen wächst der Bedarf an nanometerpräzisen, asphärisch gestalteten Oberflächen insbesondere auf den Gebieten der DUV-, EUV und Röntgenoptik sowie der Satellitenkommunikation. Insbesondere erfordert das Glätten von Halbleitermaterialien eine anspruchsvolle Technologie der ultrapräzisen Oberflächenbearbeitung.

Ionenimplantation und Ionenstrahlsynthese
Ein erfolgreiches Verfahren, um vergrabene Nanopartikel herzustellen, ist die Technik der Ionenimplantation. Dabei werden die Elemente nacheinander in ein Substrat implantiert und entweder während des Implantationsprozesses selbst oder in einem daran anschließenden thermischen Prozessschritt zur Reaktion gebracht. Die Ionenimplantation zeichnet sich dadurch aus, dass damit sehr präzise einstellbare Konzentrationsprofile nahe der Festkörperoberfläche erzeugt werden können und Fremdelementkonzentrationen erreicht werden die weit über der Löslichkeitsgrenze liegen, also stark übersättigt sind. Dieser Ausgangszustand ist mit keinem anderen Verfahren realisierbar und kann für die Synthese von vergrabenen Nanokristallen gezielt genutzt werden. Die Ionendosis kann so hoch gewählt werden, dass die Nanocluster miteinander verschmelzen und sich unter Einfluss der Grenzflächenspannung eine glatte, vergrabene Schicht bildet, dann spricht man von Ionenstrahlsynthese (Ion Beam Synthesis - IBS).

PAC-Methode
Ein anderer möglicher Weg zur Produktion von Nanostrukturen ist die Selbstorganisation von Atomen oder Molekülen zu kleinen geordneten Strukturen über die Nukleation auf geeigneten Substraten. Das Studium der physikalischen Eigenschaften solcher kleiner Atomagglomerationen ist sehr schwierig, da viele klassische Untersuchungsmethoden schon an der geringen Stoffmenge der zu charakterisierenden Nanostrukturen scheitern. Die γγ-Winkelkorrelationsmethode (PAC-Methode) ist geeignet, eine große Vielfalt von Nanopartikeln auf interessanten Substraten zu studieren. Bei der PAC wird der Anteil von radioaktiven Sonden, die einem elektrischen Kristallfeldgradienten ausgesetzt sind, beobachtet.

Quellen: Erforschung kondensierter Materie mit nuklearen Sonden und Ionenstrahlen an Großforschungsanlagen in Deutschland - Status und Perspektiven /
Physik mit Ionenstrahlen - Innovative Forschung in Deutschland
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