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Analyse von Defektstrukturen in zweidimensionalen Materialien nach der Interaktion mit hochgeladenen Ionen

Kozubek, Roland

Die Deposition der potentiellen Energie eines hochgeladenen Ions in einem kleinen Bereich des Materials führt zu enorm hohen Energiedichten am Einschlagspunkt des Projektils. Als Resultat dieser Energiedichten lassen sich Nanostrukturen in Oberflächen beobachten, die je nach Wahl des Materials unterschiedlicher Natur und Ausdehnung sein können. In dieser Arbeit wurden derartige Defekte in zweidimensionalen Materialien durch die Bestrahlung mit hochgeladenen Ionen induziert und untersucht. Ein Teil dieser Arbeit bestand darin, den bestehenden Aufbau der Ionenstrahlanlage an der Universität Duisburg-Essen durch eine dynamische Abbremseinheit zu erweitern. Mithilfe dieses sogenannten Ionenfahrstuhls lässt sich der einstellbare Bereich der kinetischen Energie der Ionen auf über eine Größenordnung erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl ausführliche Messungen zur Charakterisierung der Abbremseinheit, als auch erste Bestrahlungsreihen unter Verwendung dieses Ionenfahrstuhls durchgeführt und dargestellt. Der wesentliche Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Möglichkeit, durch den Beschuss mit hochgeladenen Ionen Defektstrukturen auf der Nanometerskala in 2D Materialien zu induzieren. So sind erstmals Defektstrukturen in einer Einzellage hBN beobachtet worden, deren Präsenz auf die Deposition der potentiellen Energie des Projektils zurückzuführen ist. Mittels Rasterkraftmikroskopiemessungen ließen sie sich einerseits als Reibungserhöhungen an den Einschlagspunkten der HCIs dentifizieren. Des Weiteren konnte ein Schwellenwert der potentiellen Energie zur Defekterzeugung detektiert werden, der sich durch Messungen zur Sekundärionenmassenspektroskopie bestätigen ließ. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich die experimentellen Ergebnisse gut durch das Modell des thermal spikes beschreiben lassen, welches einen thermischen Prozess in der Defekterzeugung nahe legt. Zudem konnten erstmals Defekte in freistehendem MoS2 auf atomarer Skala aufgelöst werden. Diese Defekte treten in Form von Poren auf, die in einem ansonsten intakten MoS2 Gitter eingebracht worden sind. Die Porengröße, als auch die Porenerzeugungseffizienz konnte klar mit der potentiellen Energie des Projektils in Verbindung gebracht werden, wobei sich im Falle dieses 2D Materials kein Schwellenwert zur Porenerzeugung ausmachen ließ. Ebenfalls wurde die Defekterzeugung in Graphen durch den Beschuss mit hochgeladenen Ionen genauer studiert, was zu einer Ergänzung und teilweise zu einer Korrektur des bisherigen Wissensstands führte. Mittels Ramanspektroskopie konnten zahlreiche Informationen über die Defektgröße, die Defektstruktur, sowie die jeweilige Abhängigkeit von der kinetischen als auch der potentiellen Energie untersucht werden. Die Ramanspektroskopie in Kombination mit der hochauflösenden Rastertransmissionselektronenmikroskopie konnten weiterhin nachweisen, dass es sich bei den induzierten Defekten um lokal hydriertes Graphen mit einzelnen Gitterfehlstellen handelt.

The potential energy of a highly charged ion, deposited into a small volume of the material, leads to extreme high energy densities at the impact site of the projectile. As a result surface nanostructures are induced which appear in different shapes depending on the materials properties. In this thesis such defects were induced in two dimensional materials by highly charged ion irradiation and investigated afterwards. As a part of this work, a dynamic deceleration system was implemented into the already existing ion beamline at the university of Duisburg-Essen. By using this so-called ion lift, the adjustable range of the kinetic energy of the ions was extended to an order of magnitude. Within this study, both detailed measurements to characterise the deceleration unit and irradiation experiments using this deceleration system were performed and presented. The major part of this thesis deals with the possibility to induce defects on the nanometer scale in two dimensional materials by highly charged ion bombardment. For the first time, defect structures have been observed in single layer hexagonal boron nitride as a result of the deposition of the potential energy of the projectile. By means of atomic force microscopy, the defects were identified as region of enhanced friction. Furthermore, a threshold of the potential energy was detected, which was further confirmed by means of secondary ion mass spectrometry. Additionally, it was shown, that the experimental results can be well described by the thermal spike model suggesting a thermal process in the defect creation mechanism. Moreover, defects in freestanding molybdenum disulphide were resolved on an atomic scale for the first time. These defects appear as pores in the otherwise unaffected lattice of the molybdenum disulphide. The pore size, as well as the pore creation efficiency was clearly associated with the potential energy of the projectile. This two dimensional material however shows no threshold for the pore creation. Furthermore, the defect creation in graphene after the irradiation with highly charged ions was investigated in more detail, leading to an enhancement and partially revision of the state of knowledge. By means of Raman spectroscopy, extensive information about the size and structure of defects, as well as their dependence on the kinetic and potential energy could be obtained. Raman spectroscopy in combination with high resolution scanning transmission electron microscopy further proved, that the defects are composed of hydrogenated graphene and individual lattice vacancies.

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Kozubek, Roland: Analyse von Defektstrukturen in zweidimensionalen Materialien nach der Interaktion mit hochgeladenen Ionen. 2018.

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