Surface damage through grazing incidence ions investigated by scanning tunneling microscopy

Redinger, Alex; Michely, Thomas

doi:3050

Surface damage through grazing incidence ions investigated by scanning tunneling microscopy = Untersuchung des Oberflächenschadens streifend einfallender Ionen mittels Rastertunnelmikroskopie

Redinger, Alex (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alex Redinger

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangVIII, 179 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Michely, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-07-10

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-30503
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51528/files/Redinger_Alex.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Rastertunnelmikroskopie (Genormte SW) ; Ionenbestrahlung (Genormte SW) ; Oberflächenschaden (Genormte SW) ; Channeling (Genormte SW) ; Zerstäubung (Genormte SW) ; Physik (frei) ; scanning tunneling microscopy (frei) ; ion erosion (frei) ; surface damage (frei) ; sputtering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 81.07.-b * 79.20.Rf * 61.85.+p * 68.37.Ef

Kurzfassung
Der Oberflächenschaden von streifend einfallenden Ionen wird mittels temperaturvariabler Rastertunnelmikroskopie untersucht. Die Beschußexperimente werden auf einem Pt(111) Kristall durchgeführt. Die Edelgasionen haben eine Energie von 1 keV-15 keV und werden unter einem Winkel von 78.5° bis 88°, bezogen auf die Oberflächennormale, auf das Substrat geschossen. Der Oberflächenschaden, der durch einzelne Ionen erzeugt wird, wird bei tiefen Temperaturen untersucht. Der Schaden auf den flachen Terrassen unterscheidet sich stark vom Schaden an aufwärtsführenden, von den Ionen beleuchteten, Stufenkanten. Auf den Terrassen werden die streifend einfallenden Teilchen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit reflektiert. Es wird nur wenig Energie vom Ion an das Substrat übertragen und der induzierte Schaden ist sehr gering. An beleuchteten Stufenkanten kommt es meistens zu Großwinkelstößen zwischen dem Ion und den Atomen des Substrates. Ein großer Teil der Ionenenergie wird an den Kristall abgegeben und es kommt zu Zerstäubung, Adatom- und Leerstellen-Produktion. Ein Teil der Ionen, die auf die Stufenkante fallen, treten in den Kristall ein, wo sie zwischen zwei Kristalllagen durch Kleinwinkelstöße geführt werden. Diese oberflächennahe Kanalisierung der Ionen (engl. subsurface channeling) zeichnet sich durch einen sehr geringen Energieverlust aus. Die geführten Ionen legen deshalb weite Strecken zwischen den Lagen zurück (über 100nm). Während des Channelings kommt es zu Oberflächenschaden. Je nach Ionenenergie und Ionenart werden Adatom-Leerstellen-Paare oder ein atomar schmaler Leerstellenkanal auf der Oberfläche erzeugt. Der Schaden kann dazu benutzt werden, die Bahn der Ionen im Kristall zu verfolgen. Die Anzahl der zerstäubten Atome pro einfallendes Ion (die Zerstäubungsausbeute) wird für aufwärtsführende Stufenkanten bestimmt. Bei einem Beschusswinkel von 86° kann die durch Zerstäubung induzierte Wanderung von aufwärtsführenden Stufenkanten ermittelt werden. Hieraus kann man unmittelbar die Zerstäubungsausbeute berechnen. Bei weniger streifenden Winkeln kann diese anhand der Stufenkonzentration und der abgetragenen Menge bestimmt werden. Es zeigt sich, dass die Zerstäubungsausbeute von der Richtung der einfallenden Ionen abhängt. Dies kann auf unterschiedliche Channeling Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen kristallographischen Orientierungen zurückgeführt werden. Die Zerstäubungsausbeute an Stufenkanten wird ebenfalls für kleine Adatomcluster bestimmt. Die Ausdehnung der obersten Terrasse ist hier, im Vergleich zu großen Inseln, sehr viel kleiner. Die Ionen, die an den Stufen eintreten und geführt werden, besitzen eine hohe Wahrscheinlichkeit auf der anderen Seite wieder aus dem Kristall auszutreten ohne Schaden zu erzeugen. Die Zerstäubungsausbeute an den Clustern ist deshalb, ist im Vergleich zu großen Adatominseln, um einen Faktor drei kleiner. Der Einfluss von Adsorbaten auf den Terrassen wird für den Fall der Sauerstoff und Kohlenmonoxidadsorption untersucht. Im Vergleich zu adsorbatfreien Terrassen steigt die mittlere Zerstäubungsausbeute stark an. Es kann eine Erhöhung bis zu einem Faktor vierzig ermittelt werden. Adsorbate erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Großwinkelstößen auf der Terrasse. Dies führt zu einer erhöhten Zerstäubungsausbeute und Oberflächenschaden in Form von Adatomen und Leerstellen. Schlussendlich wird die Vergröberung von Wellenmustern, die durch streifenden Ionenbeschuss erzeugt werden, untersucht. Für Substrattemperaturen unterhalb von 450K erfolgt die Vergröberung nicht durch Diffusion oder Minimierung der freien Oberflächenenergie, sondern athermisch. Die Auslöschung von Defekten im Wellenmuster, und die damit einhergehende Vergrößerung der Wellenlänge, ist vergleichbar mit Defekt-Reaktionen in Dünenfeldern. Es wird gezeigt dass die, durch den Ionenbeschuss induzierte Bewegung von Stufenkanten, für die Auslöschung von Defekten verantwortlich ist.

Surface damage, caused by grazing incidence ions, is investigated with variable temperature scanning tunneling microscopy. The experiments are carried out on a Pt(111) crystal. The kinetic energy of noble gas ions is varied between 1-15 keV and the angle of incidence can be adjusted between 78.5° and 90° measured with respect to the surface normal. The damage patterns of single ion impacts, on flat terraces and at step edges of monoatomic height, are investigated at low surface temperatures. Ions hitting a flat terrace are usually specular reflected. The energy transfer from the ion to the crystal atoms is small and only little damage is produced. In contrast, at ascending step edges, which are illuminated by the ion beam, large angle scattering events occur. Sputtering, adatom and vacancy production is induced. However, a significant fraction of the ions, which hit step edges, enter the crystal and are guided in between two atomic layers parallel to the surface via small angle binary collisions. This steering process is denoted as subsurface channeling. The energy loss per length scale of the channeled particles is low, which results in long ion trajectories (up to 100nm). During the steering process, the ions produce surface damage. Depending on the ion species and the ion energy, adatom and vacancies or surface vacancy trenches of monoatomic width are observed. The surface damage can be used to track the path of the ion. This makes the whole trajectory of single ions with keV energy visible. The number of sputtered atoms per incident ion at ascending step edges, i.e. the step edge sputtering yield, is measured experimentally for different irradiation conditions. For 86°, the sputtering yield is determined from the fluence dependent retraction of pre-existing illuminated step edges. An alternative method for the step edge sputtering yield determination, is the analysis of the concentration of ascending steps and of the removed amount of material as a function of the ion fluence. This method is also applicable under less grazing angles of incidence. The investigations show that the sputtering yield at step edges depends on the azimuthal orientation of the impinging ions with respect to the surface. This change is attributed to the orientation dependence of subsurface channeling. The step edge sputtering yield at small adatom clusters is measured. In this case, the topmost layer (which forms the step edge) has a small lateral extension in ion beam direction. The evaluation shows that the step edge yield is, compared to step edges with a long upper terrace, decreased by a factor of three. The physical reason can be traced back to subsurface channeling. The ions are able to pass underneath the cluster and exit the crystal without a large scattering event. Little energy is transfered to the crystal which results in a low sputtering yield. The influence of adsorbates on sputtering and surface damage in grazing incidence ion erosion is studied for the case of oxygen and carbon monoxide. A partial surface coverage with adsorbates causes an enhancement of the erosion rate (the amount of removed material per ion fluence) by a factor of up to 40 compared to the clean case. The study is performed for 5 keV Ar ions for various grazing angles between 81° and 87° and temperatures ranging from 400 K to 550 K. Finally, coarsening of ion beam induced ripple patterns is analyzed. For surface temperatures of 450 K or below coarsening is athermal and kinetic, unrelated to diffusion and surface free energy. Similar to the situation of sand dunes, coarsening takes place through annihilation reactions of mobile defects in the pattern. The defect velocity derived on the basis of a simple model agrees quantitatively with the velocity of monoatomic steps illuminated by the ion beam.

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