Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schmelzen im Nanometer-Bereich

23.06.2008
Forscher aus Wien und Dresden erzeugten Schmelzpunkte in der Oberfläche eines Kristalls, die nur wenige Nanometer groß waren (ein Nanometer entspricht dem millionsten Teil eines Millimeters).

Hierzu setzten sie hochgeladene Ionen ein, also Atome, denen ein Großteil ihrer Elektronen entzogen wurde. Diese Ionen besitzen eine hohe interne Energie, die sie beim Auftreffen auf den Kristall in sehr kurzer Zeit abgeben und damit ein lokales Schmelzen der Oberfläche hervorrufen. Die Schmelze erstarrt und es entstehen hügelartige Erhebungen im Nanometer-Bereich. Die Ergebnisse wurden vor kurzem in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" veröffentlicht.

Das Xenon-Atom besitzt 54 Elektronen. Gelingt es, einen Großteil der Elektronen zu entfernen, so ist das zurückbleibende Rumpf-Atom sehr stark ionisiert. Bei dem Ionisationsprozess wird dem Ion jedoch Energie zugeführt. Diese interne Energie, so konnten Physiker der TU Wien und des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf (FZD) nun zweifelsfrei in gemeinsamen Experimenten belegen, ist für das neuartige Zerstörungsmuster auf der Oberfläche des behandelten Kristalls verantwortlich.

Das Besondere an der Rossendorfer Anlage zur Erzeugung hochgeladener Ionen ist, dass diese vor der Materialprobe gezielt abgebremst werden können. Die Xenon-Ionen treffen mit einer Energie von nur 150 Elektronenvolt auf die Materialoberfläche (ein Elektronenvolt entspricht der Energie, die ein Elektron erhält, wenn es durch eine Spannung von einem Volt beschleunigt wird). Im Vergleich zu den 150 Elektronenvolt besitzt jedes einzelne hochgeladene Ion aber eine interne (potentielle) Energie von bis zu 38.000 Elektronenvolt. Wenn solch ein langsames Ionen-Projektil auf eine Materialoberfläche trifft, wird die hohe interne Energie in Sekundenbruchteilen auf einer sehr kleinen Fläche abgegeben. Viel Energie in sehr kurzer Zeit (einige 10 Femto-Sekunden) auf sehr kleinem Raum (wenige Nanometer) bedeutet eine hohe Leistungsdichte - nur so ist Nano-Schmelzen überhaupt möglich. Man kann dies ansonsten nur mit gepulsten Hochleistungs-Lasern oder mit sehr schnell beschleunigten Ionen mit Energien von einigen Megaelektronenvolt erreichen, was jeweils sehr aufwendige Anlagen und Experimente verlangt.

Das Verfahren, mit einzelnen hochgeladenen Ionen Nano-Schmelzpunkte auf einer Materialoberfläche zu erzeugen, kam bisher nur in Heidelberg und in Dresden zum Einsatz. Wichtig ist hierfür die Wahl des richtigen Materials. Die Physiker aus Wien wählten für die Dresdner Experimente einen nicht-leitfähigen Kristall. Dieser Isolator ist besonders gut in der Lage, die interne Energie der Ionen in Wärme umzuwandeln. Beim Auftreffen des Ions auf die Kristalloberfläche wird das Kristallgitter in unmittelbarer Umgebung sehr heiß und schmilzt. Da es sich jeweils nur um einen Bereich von wenigen Nanometern handelt, erstarrt die Schmelze schnell und an der Oberfläche stülpen sich kleine Nano-Hügel heraus. Die Physiker entdeckten zudem einen neuen Grenzwert bei niedrigen Projektilgeschwindigkeiten: jedes Xenon-Ion muss mindestens 27-fach geladen sein, um zu einem Schmelz-Projektil zu werden. Je höher der Ladungszustand eines Ions ist, desto größer ist der freiwerdende Energiebetrag an der Kristalloberfläche, der zum lokalen Schmelzen führt. Die Größe der Schmelzpunkte, und damit auch die Größe der entstehenden Nano-Hügel (zwei bis sechs Nanometer), lässt sich direkt über den Ladungszustand der Projektil-Ionen kontrollieren.

Bei den in Dresden-Rossendorf durchgeführten Experimenten, die der Wechselwirkung von langsamen hochgeladenen Ionen mit Festkörperoberflächen galten, konnten neue interessante Effekte und Nano-Strukturen studiert werden. Die kreierten Nano-Hügel ragen ca. einen Nanometer aus der Kristalloberfläche heraus und messen zwischen 20 und 50 Nanometer im Durchmesser. Derzeit werden weitere Experimente mit einem anderen Festkörper durchgeführt, in denen die hochgeladenen Ionen permanente Löcher auf der Kristalloberfläche erzeugen sollen.

Veröffentlichung:
A.S. El-Said, R. Heller, W. Meissl, R. Ritter, S. Facsko, C. Lemell, B. Solleder, I.C. Gebeshuber, G. Betz, M. Toulemonde, W. Möller, J. Burgdörfer, F. Aumayr, "Creation of Nanohillocks on CaF2 Surfaces by Single Slow Highly Charged Ions, in: Physical Review Letters 100, 237601 (2008).
Weitere Informationen:
Dr. Stefan Facsko / René Heller
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
Tel.: 0351 260 - 2987 / - 3577
Email: s.facsko@fzd.de / r.heller@fzd.de
Prof. Dr. F. Aumayr
Institut für Allgemeine Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstr. 8-10
A-1040 Wien
Tel.: (+43-1) 58801-13430
Email: aumayr@iap.tuwien.ac.at
Pressekontakt:
Dr. Christine Bohnet
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
Bautzner Landstr. 128, 01328 Dresden
Tel.: 0351 260 - 2450 oder 0160 969 288 56
Email : c.bohnet@fzd.de

Dr. Christine Bohnet | idw
Weitere Informationen:
http://www.fzd.de/

Weitere Berichte zu: Kristalloberfläche Nanometer

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lasing am Limit
15.02.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Forschung für die LED-Tapete der Zukunft
15.02.2018 | Universität Bremen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Im Focus: Demonstration of a single molecule piezoelectric effect

Breakthrough provides a new concept of the design of molecular motors, sensors and electricity generators at nanoscale

Researchers from the Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS (IOCB Prague), Institute of Physics of the CAS (IP CAS) and Palacký University...

Im Focus: Das VLT der ESO arbeitet erstmals wie ein 16-Meter-Teleskop

Erstes Licht für das ESPRESSO-Instrument mit allen vier Hauptteleskopen

Das ESPRESSO-Instrument am Very Large Telescope der ESO in Chile hat zum ersten Mal das kombinierte Licht aller vier 8,2-Meter-Hauptteleskope nutzbar gemacht....

Im Focus: Neuer Quantenspeicher behält Information über Stunden

Information in einem Quantensystem abzuspeichern ist schwer, sie geht meist rasch verloren. An der TU Wien erzielte man nun ultralange Speicherzeiten mit winzigen Diamanten.

Mit Quantenteilchen kann man Information speichern und manipulieren – das ist die Basis für viele vielversprechende Technologien, vom hochsensiblen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Auf der grünen Welle in die Zukunft des Mobilfunks

16.02.2018 | Veranstaltungen

Smart City: Interdisziplinäre Konferenz zu Solarenergie und Architektur

15.02.2018 | Veranstaltungen

Forschung für fruchtbare Böden / BonaRes-Konferenz 2018 versammelt internationale Bodenforscher

15.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

17.02.2018 | Energie und Elektrotechnik

Stammbaum der Tagfalter erstmalig umfassend neu aufgestellt

16.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Strategien zur Behandlung chronischer Nierenleiden kommen aus der Tierwelt

16.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics