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Spurbildung in Strontiumtitanat

Meinerzhagen, Florian

Schnelle schwere Ionen führen in dem keramischen Material Strontiumtitanat zu Veränderungen, den sogenannten Spuren. Diese Arbeit verfolgt das Ziel, das Verständnis der dabei ablaufenden Prozesse zu erweitern. Dafür müssen technische Voraussetzungen geschaffen werden, die technischen Ziele dieser Arbeit. Diese Voraussetzungen werden durch die Installation eines neuen Ultrahochvakuumaufbaus am M1-Zweig des Linearbeschleunigers in Darmstadt erfüllt. Der Aufbau kombiniert die Möglichkeit zur Bestrahlung von Proben durch schnelle schwere Ionen mit zwei verschiedenen Untersuchungsmethoden. Mit einem Flugzeitmassenspektrometer werden die bei der Bestrahlung emittierten Sekundärionen und Sekundärneutralteilchen hinsichtlich ihrer Masse analysiert. Mittels Rastersondenmikroskopie, die ein sehr gutes räumliches Auflösungsvermögen bis in den Nanometerbereich aufweist, werden lokale Veränderungen auf den Oberflächen nach der Bestrahlung untersucht. Die Repetition von Experimenten zur Oberflächenanalyse der für die Bestrahlung mit schnellen schweren Ionen typischen Hügelkettenbildung in Strontiumtitanat dient der Überprüfung der Funktionstüchtigkeit dieses Aufbaus. Dabei ist im Rahmen dieser Arbeit erstmals eine neuartige Modifikation, ein Graben vor den Hügelketten, entdeckt worden. Dieser Graben ist in seiner Länge ebenso wie die Hügelbildung durch den Winkel zwischen Ionenflugrichtung und Oberfläche einstellbar. Das fehlende Material des Grabens wird über den Flugzeitmassenspektrometrieaufbau mit einer Emission von Strontiumverbindungen verknüpft. Dabei kann keine Emission von Titanverbindungen beim Beschuss des Strontiumtitanats mit schnellen schweren Ionen beobachtet werden. Die Emission von Strontium und Strontiumoxiden dagegen ist mit dem Schwellwertverhalten der Hügelbildung in Strontiumtitanat verknüpft. Sowohl die Hügel- als auch die Grabenbildung werden hinsichtlich eines thermisch induzierten Phasenübergangs mit dem sogenannten Thermal-Spike-Modell und der sogenannten Rayleighinstabilität, einem durch Oberflächenspannung und Störungen eines Probensystem getriebenen Massentransport, diskutiert. Beide Ansätze liefern eine plausible Erklärung für die beobachteten Modifikationen. Simulationen mit dem Thermal-Spike-Modell liefern eine gute Übereinstimmung der Hügelkettenlänge mit einer Schmelztemperatur des Materials, während die Grabenlänge verknüpft mit einer Siedetemperatur des Materials überschätzt wird. Um diese Beobachtungen und Erkenntnisse auf andere Probensysteme zu übertragen, findet ein Vergleich mit Messungen an dem keramischen Material Titandioxid statt. In den Untersuchungen können weder eine Grabenbildung vor den Hügelketten noch eine Emission von Teilchen beim Beschuss mit schnellen schweren Ionen von Titandioxid beobachtet werden, obwohl Siedetemperaturen des Materials in den Simulationen erreicht werden.

The aim of this work is a deeper understanding of the processes during the track formation by irradiation with swift heavy ions in the ceramic material strontium titanate. There are certain technical requirements to reach this aim. A new experimental setup with ultra high vacuum conditions has been installed for this purpose at the M1 branch of the linear accelerator in Darmstadt. It combines the possibility of irradiation by swift heavy ions under different angles of incidence with two methods of analysis, the time-of-flight spectrometry for the analysis of emitted secondary ions and secondary neutrals during irradiation, as well as scanning probe microscopy for a detailed mapping of the surface of a sample down to the nanometer scale after irradiation. A repetition of experiments dealing with the typical formation of chains of hillocks demonstrates the operational reliability of this setup. In the process the formation of a rift in front of the chain of hillock has been observed for the first time. The length of this rift varies with the adjusted angle of incidence in analogy to the hillock formation. The missing material of the rift is linked with an emission of strontium and compounds of strontium by the time of flight spectrometry. An emission of titanium and its compounds has not been observed during the irradiation of strontium titanate. On the other hand, the emission of strontium and its compounds are linked to threshold behavior like the hillock formation. Both the hillock formation and the rift formation are discussed with reference to a thermal phase transition in the Thermal-Spike model and the so-called Rayleigh instability, a mass transport driven by capillary forces and a perturbation of the system. Both approaches give a plausible explanation for the observed modifications. The simulations with the Thermal-Spike model shows a good agreement between the length of the chains of hillocks and the melting point of the material, while the length of the rifts, that is linked with a boiling point of the material, is overestimated. Measurements are taken on titanium dioxide, also a ceramic material, to transfer the observations and findings to a similar probe system. For this system neither a rift formation in front of the chains of hillocks nor an emission of particles by irradiation of swift heavy ions is observed, although the boiling temperature of the material can be reached.

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Meinerzhagen, Florian: Spurbildung in Strontiumtitanat. 2017.

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