Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der Ionenstrahl als Nano-Schrotflinte

22.04.2014

Nanometergroße Löcher lassen sich mit Ionen in dünne Membranen schießen, allerdings verhalten sich die Ionen dabei anders als gedacht. Mit hochgeladenen Ionen lassen sich durchlöcherte Membranen herstellen, die als molekulares Sieb dienen.

Wenn man Gewehrkugeln durch eine Holzplatte schießt, werden sie abgebremst. Ähnlich ergeht es Ionen, die man auf dünne Folien feuert. Doch wenn man extrem dünne Folien verwendet, die nur aus wenigen Atomlagen bestehen, sieht die Sache anders aus. Das Verhalten der Ionen hängt dann davon ab, ob sie mit einem Atomkern der Folie heftig zusammenstoßen oder ob es ihnen gelingt, sich sanft zwischen den Kernen hindurch zu schummeln.


Elisabeth Gruber vor ihrer Ultrahochvakuumapparatur

TU Wien


Manche Ionen gelangen auf geradem Weg durch die Folie, andere erfahren heftigere Ablenkungen.

TU Wien

Durch die Verwendung hochgeladener Ionen wird es möglich, Nano-Folien gezielt zu bearbeiten – etwa indem man sie mit vielen kleinen Löchern versieht, sodass ein „molekulares Sieb“ entsteht. Durch die bloße Wucht des Ionen-Einschlags lässt sich das nicht erreichen, der Trick liegt in der elektrischen Ladung der Ionen.

Sie sorgt dafür, dass viel Energie auf einem winzigen Punkt der Folie deponiert werden kann und ein Loch entsteht. Die Forschungsergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert. Das Team der TU Wien wurde bei dem Projekt vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und der TU Dresden unterstützt.

Xenon-Atome und Kohlenstoff-Folien

Als Projektile werden im Experiment an der TU Wien Xenon-Ionen verwendet. Zehn bis dreißig Elektronen nimmt man jedem Xenon-Atom weg, es ist dann also stark elektrisch geladen und wird auf eine Probe geschossen, zum Beispiel eine Kohlenstoff-Folie.

Normalerweise verliert das Projektil auf jedem Wegstück, den es in der Folie zurücklegt, einen bestimmten Anteil seiner Energie, weil es immer wieder heftig mit den Atomen der Folie kollidiert. Dieses einfache Modell macht allerdings keinen Sinn mehr, wenn man Folien verwendet, die nur einige wenige Atomlagen dick sind – in der Größenordnung von wenigen Nanometern.

„Beim Beschuss solcher Nanomembranen stellten wir fest, dass wir dann auf der anderen Seite der Folie plötzlich zwei unterschiedliche Sorten von Ionen mit unterschiedlichen Energie- und Ladungsverteilungen detektieren“, sagt Prof. Friedrich Aumayr vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. Einerseits gibt es Ionen, die beim Durchdringen der Folie ihre elektrische Ladung ganz drastisch verändern.

Sie holen sich eine große Zahl von Elektronen aus der Folie und verlieren gleichzeitig Energie. Andererseits gibt es Ionen, die von der Folie kaum beeinflusst werden: Sie sind nach dem Durchdringen der Membran noch immer hoch geladen, haben auf ihrem Weg praktisch keinen Energieverlust erlitten und die meisten der aufgenommenen Elektronen wieder abgegeben.

Der Grund dafür liegt in der geometrischen Anordnung der Atome in der Nano-Membran: „Manche Ionen treffen frontal auf einen Atomkern in der Folie“, erklärt Friedrich Aumayr. „Bei solchen heftigen Kollisionen verlieren sie Energie und können eine ganze Reihe von Elektronen mitnehmen.“ Allerdings lassen sich durch die ultradünne Membran auch Wege finden, die zwischen allen Atomkernen hindurchführen, sodass es nur eine verhältnismäßig schwache Wechselwirkung mit den Atomkernen der Membran gibt. Das führt dann zu einer Durchdringung der Folie mit Ionen, die auch danach noch erstaunlich stark elektrisch geladen sind.

Die Ladung bestimmt den Energieaustausch

Normalerweise erleben Ionen in festem Material so viele Stöße mit anderen Teilchen, dass ihre elektrische Ladung am Ende gar nichts mehr mit der ursprünglichen Ladung zu tun hat. Ionen können einerseits Elektronen aus der Folie einfangen – das gelingt ihnen am besten, wenn sie relativ langsam sind, oder sie können unterwegs Elektronen verlieren und sich damit wieder stärker positiv aufladen – dieser Effekt überwiegt bei schnellen Ionen. So stellt sich schließlich je nach Geschwindigkeit ein Gleichgewichtszustand zwischen Elektronenverlust und Elektroneneinfang her, ganz unabhängig davon, wie viele Elektronen das Ion am Anfang hatte. Doch die Wegstrecke durch die extrem dünnen Nanomembranen ist so kurz, dass das Ion gar keine Zeit hat, diesen Gleichgewichtszustand zu erreichen. Das Experiment an der TU Wien zeigt, dass der Energieverlust der Ionen von ihrem Ladungszustand abhängt und deshalb gezielt gesteuert werden kann.

Mit Ionenbeschuss zum Nano-Sieb

Dass man nun verstanden hat, wie Ionen mit extrem dünnen Membranen wechselwirken, eröffnet aufregende neue Möglichkeiten in der Nanotechnologie: „Mit unseren hochgeladenen Ionen können wir nun in vier Sekunden eine Million Löcher in einen Quadratzentimeter Folie schießen“, erklärt Friedrich Aumayr. Die hochgeladenen Ionen fangen Elektronen ein, die sich zunächst in einem Zustand mit sehr hoher Energie befinden. Beim Einschlag wird diese Energie dann freigesetzt und auf die Folie übertragen. Darum können hochgeladene Ionen Löcher erzeugen, auch wenn das mit einem neutralen Atom derselben Geschwindigkeit niemals möglich wäre.

Der Strahl hochgeladener Ionen wird zur Nano-Schrotflinte, damit lassen sich Oberflächen oder Folien nanostrukturieren. Man kann beispielsweise ein Nano-Sieb herstellen, dessen Löcher bestimmte Moleküle gezielt durchlassen und andere nicht. Demnächst sollen die Experimente sogar mit den dünnsten aller möglichen Kohlenstoffmembranen durchgeführt werden: Mit Graphen, das aus bloß einer Atomlage besteht.

Rückfragehinweis:
Univ.Prof. Friedrich Aumayr
Technische Universität Wien
Institut für Angewandte Physik
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-134 30
friedrich.aumayr@tuwien.ac.at

Aussender:
Technische Universität Wien
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Operngasse 11/5. Stock, 1040 Wien
Dipl.-Ing. Florian Aigner
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at

Weitere Informationen:

http://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2014/karbonfolie/ weitere Bilder
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.153201 Originalpublikation

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik
21.09.2017 | Forschungszentrum MATHEON ECMath

nachricht Der stotternde Motor im Weltall
21.09.2017 | Universität Wien

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: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften