Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Meteoriteneinschlag im Nano-Format

29.08.2016

Mit energiereichen Ionen lassen sich erstaunliche Nanostrukturen auf Kristalloberflächen erzeugen. Experimente und Berechnungen der TU Wien können diese Effekte nun erklären.

Ein Meteorit, der in flachem Winkel auf die Erde trifft, kann gewaltige Verwüstungen anrichten: Er schrammt über die Erdoberfläche und legt oft eine lange Strecke zurück, bevor er sich endgültig in den Boden bohrt.


Nanostrukturen nach dem Ionenbeschuss: Der Pfeil zeigt die Richtung der Ionen an

TU Wien


Elisabeth Gruber im Labor an der TU Wien

TU Wien

Dort wo er aufschlägt, kann er das Gestein vaporisieren und große Materialmengen aufschmelzen. Am Ende bleibt nicht nur ein Krater oder ein Schutthaufen zurück, sondern auch noch eine ausgedehnte Spur der Verwüstung, vor und hinter der Einschlagstelle.

Ganz ähnlich verhält es sich mit schweren Ionen, die mit hoher Geschwindigkeit auf eine Kristalloberfläche geschossen werden – allerdings auf mikroskopischer Skala. Am Institut für Angewandte Physik der TU Wien untersucht das Team von Prof. Friedrich Aumayr, welche Strukturen sich bilden lassen, wenn man Ionen in flachem Winkel auf Kristalle schießt.

Rillen und Berge

„Wenn wir die Oberfläche der Kristalle mit einem Rasterkraftmikroskop untersuchen, dann erkennen wir sehr deutliche Parallelen zwischen den Spuren der Ionen-Einschläge und einem Meteoriten-Impakt“, sagt Elisabeth Gruber, Dissertantin im Team von Friedrich Aumayr.

„Das unter sehr flachem Winkel einfallende Projektil gräbt zunächst eine Rille in den Kristall, die mehrere hundert Nanometer lang sein kann. Rechts und links davon werden winzige Hügel aufgehäuft, die sogenannten Nanohillocks.“ Dort, wo das Ion dann endgültig unter der Kristalloberfläche verschwindet, bildet sich eine besonders hohe Erhebung. Dahinter kann man den Weg des Projektils noch ein Stück anhand einer Oberflächenerhebung verfolgen, bis es schließlich tiefer in den Kristall eindringt und dann zum Stillstand kommt.

Das klingt intuitiv recht einleuchtend – als könnte man sich Ionen mit hoher Energie vorstellen wie kleine, elektrisch geladene Pistolenkugeln. Doch in Wirklichkeit ist es alles andere als selbstverständlich, dass sich Objekte der Nano-Welt ähnlich verhalten wie große Alltagsobjekte. Wenn es darum geht, wie einzelne Atome ihre Energie untereinander austauschen hat schließlich auch die Quantenphysik ein gewichtiges Wort mitzureden.

„Bei der Wechselwirkung energiereicher Ionen mit Kristalloberflächen – in unserem Fall Kalziumfluorid – können viele verschiedene physikalische Effekte eine Rolle spielen“, sagt Friedrich Aumayr. „So können etwa einzelne Elektronen ihren Energiezustand wechseln, dadurch Energie mit Atomen der Umgebung austauschen und so im Kristall Schwingungen anregen - die sogenannten Phononen. All das muss man berücksichtigen, wenn man diese Art der Nanostrukturbildung untersucht.“

Schmelzen und Verdampfen

Um die Mechanismen genau zu verstehen, die zur Bildung der Nanostrukturen auf der Kristalloberfläche führen, entwickelte das Team in Zusammenarbeit mir deutschen Kollegen umfangreiche Simulationsrechnungen. „Wir sehen dadurch, wie stark sich die Oberfläche an welchen Stellen aufheizt“, erklärt Elisabeth Gruber. „In manchen Bereichen wird es so heiß, dass das Material aufgeschmolzen wird, an bestimmten Stellen kann es sogar verdampfen. Wenn wir wissen, wie groß diese Regionen jeweils sind, können wir auch gut vorhersagen, welche Nanostrukturen sich auf der Oberfläche bilden.“

Solche Forschungsarbeiten dienen nicht nur dazu, besser zu verstehen, wie man Nanostrukturen auf Oberflächen gezielt herstellen kann. Es ist auch wichtig zu untersuchen, wie Materialien durch unerwünschten Ionenbeschuss geschädigt werden. „Kalziumfluorid wird oft als Isolator in der Halbleitertechnik verwendet“, sagt Friedrich Aumayr. „Auch unter extremen Bedingungen, zum Beispiel in Satelliten, die der kosmischen Höhenstrahlung ausgesetzt sind, soll die Elektronik noch funktionieren.“ Wenn das Kalziumfluorid durch Ionenbeschuss durchlöchert wird, kann es im schlimmsten Fall zu einem Kurzschluss und zu einer Zerstörung des Bauteils kommen. Daher ist es wichtig, die Wechselwirkung zwischen Kristalloberflächen und Ionen genau zu untersuchen.

Originalpublikation:
E. Gruber et al., Journal of Physics: Condensed Matter 28 (2016) 405001

Sehr ähnliche Effekte können auch mit langsamen hochgeladenen Ionen erzielt werden, wie die Wiener Gruppe in einer demnächst in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erscheinenden Arbeit zeigt.
A.S. El-Said et al., Tuning the fabrication of nanostructures by low-energy highly charged ions, Physical Review Letters accepted for publication 24.08.2016

Rückfragehinweise:
Univ.Prof. Friedrich Aumayr
Technische Universität Wien
Institut für Angewandte Physik
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13430
friedrich.aumayr@tuwien.ac.at

Dipl.-Ing. Elisabeth Gruber
Technische Universität Wien
Institut für Angewandte Physik
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13435
elisabeth.gruber@tuwien.ac.at

Weitere Informationen:

https://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2016/meteor weitere Bilder
http://dx.doi.org/10.1088/0953-8984/28/40/405001 Originalpublikation

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation
12.12.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Einmal durchleuchtet – dreifacher Informationsgewinn
11.12.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mit Quantenmechanik zu neuen Solarzellen: Forschungspreis für Bayreuther Physikerin

12.12.2017 | Förderungen Preise

Stottern: Stoppsignale im Gehirn verhindern flüssiges Sprechen

12.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

E-Mobilität: Neues Hybridspeicherkonzept soll Reichweite und Leistung erhöhen

12.12.2017 | Energie und Elektrotechnik