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Aufbau einer Ionenstrahlanlage zur Nanostrukturierung von 2D-Materialien mit hochgeladenen Ionen

Hopster, Johannes

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von hochgeladenen Ionen mit Oberflächen. Nähert sich ein hochgeladenes Ion einer Oberfläche, wird dessen potentielle Energie in einer Kaskade von elektronischen Prozessen in der Oberfläche deponiert. Daraus resultiert eine starke elektronische Anregung in der Oberfläche, welche in einem Bereich der Größenordnung von Nanometern lokalisiert ist. Im Laufe weiterer Mechanismen kann diese Anregung zu topographischen, strukturellen oder chemischen Modifikationen des Materials in Form von Nanostrukturen führen. Während dieser Arbeit wurde eine komplette Ionenstrahlanlage aufgebaut. Diese leistet die Erzeugung, Fokussierung und Ladungsseparierung von Ionenstrahlen, wodurch Bestrahlungen von Oberflächen mit hochgeladenen Ionen ermöglicht werden. Zusätzlich wird eine neuartige Analysemethode der Strahlabmessungen und der Teilchendichte mittels Ramanmikroskopie an Graphen präsentiert. Ergebnisse aus Bestrahlungen von 2D-Materialien mit hochgeladenen Ionen bilden den zweiten Bestandteil dieser Arbeit. Sowohl auf Monolagen des Schichtsystems MoS2 als auch auf einzelnen Graphenlagen konnten Nanostrukturen nachgewiesen und analysiert werden, welche durch die potentielle Energie der Ionen erzeugt wurden. Aus den Ergebnissen konnten Prozesse der Wechselwirkung der Ionen mit den Materialien phänomenologisch abgeleitet werden. In Graphen wurden nach der Bestrahlung lokale Bereiche erhöhter Reibung mittels Friction Force Microscopy nachgewiesen. Es konnten Schwellwerte der Defekterzeugung bezüglich der potentiellen Energie ermittelt werden, welche stark von der kinetischen Energie der Ionen abhängen. Diese Abhängigkeit konnte im Rahmen des over the barrier- Modells mit der Flugzeit des Ions vor der Oberfläche verknüpft werden. Mittels Ramanmikroskopie wurden Defekte in bestrahlten Graphenproben und in freistehenden Graphenlagen analysiert. Es wurden mögliche Abhängigkeiten der Defektdurchmesser und -Art von der Lagenzahl und von der Anwesenheit eines Substrats untersucht. Es wurde nachgewiesen, dass Graphen durch den Einfall hochgeladener Ionen lokal hydriert wird. Diese chemische Modifikation führt zu einer erhöhten Reibung und ebenso zu einem Auftreten von Defektmoden im Ramansignal. Zusätzlich konnten erstmalig Ketten aus mehreren, getrennten Nanostrukturen beobachtet werden, welche von hochgeladenen Ionen in streifendem Einfall erzeugt wurden. Diese werden von einzelnen Ionen erzeugt und konnten sowohl auf Graphen als auch auf HOPG gefunden werden.

This work deals with the interaction of highly charged ions with surfaces. When an ion approaches a surface, its potential energy is deposited into the surface via a cascade of electronic processes. A strong electronic excitation of the surface results, which is localized in a nanometer sized region. As a consequence of further mechanisms, this excitation may lead to nanostructures being of topographic, structural or chemical modifications of the material. During this work, a setup of a complete ion beamline was constructed. The beamline offers production, focussing and charge separation of ion beams as well as irradiations of surfaces with highly charged ions. Additionally, new methods for beam profile and particle density analysis via Raman microscopy on graphene are presented. Experimental results of highly charged ions impinging on 2D materials provide the second part of this work. Ion induced nanostructures on lamellar materials, i.e. MoS2 as well as single layers of graphene, could be identified and analyzed. Each of them were triggered by the potential energy of the ions. Processes of the ion surface interaction could be deduced qualitatively from the data. Local regions of enhanced friction on graphene could be detected by Friction Force Microscopy after irradiations. Thresholds for defect creation were established regarding the potential energy, which depend strongly on the kinetic energy of the ions. In terms of the over the barrier model, this dependency could be related to the time of flight the ion spends above the surface. Defects on irradiated graphene as well as on free standing graphene were analyzed via Raman microscopy. Possible dependencies of the defect diameters and nature on the layer number as well as on the presence of a substrate were proved. It was shown, that graphene becomes locally hydrogenated by the impact of highly charged ions. Such a chemical modification leads to an enhanced friction as well as to an appearance of defect modes in Ramanmicroscopy. For the first time, chains of multiple separated nanostructures were observed, which are triggered by highly charged ions impacting under grazing incidence. Chains are induced by single ions and were found on graphene as well as on HOPG.

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Zitierform:

Hopster, Johannes: Aufbau einer Ionenstrahlanlage zur Nanostrukturierung von 2D-Materialien mit hochgeladenen Ionen. 2014.

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