Zerstäubungs-Charakteristika zweidimensionaler Materialien nach Interaktion mit extrem langsamen hochgeladenen Ionen

Ernst, Philipp GND

Langsame hochgeladene Ionen (HCI) verändern bei der Wechselwirkung mit Materie deren Beschaffenheit, sodass gezielt Modifikationen vorgenommen werden können. Dabei wird die potentielle Energie des Ions in einem stark lokalisierten Bereich oberflächennah deponiert, was zu einer extrem hohen Energiedichte am Wechselwirkungsort führt. Abhängig von der Wahl des Probenmaterials, und als Konsequenz der Energiedichte, kommt es zu einer Zerstäubung von Proben-Teilchen, die einen geladenen oder neutralen Zustand besitzen. In dieser Arbeit wird das Zerstäubungsverhalten von 2D-Materialien durch Anregung mit HCI anhand der Sekundärionen- und Neutralteilchen-Massenspektrometrie untersucht.

Zu Beginn wurde die dynamische Abbremseinheit, der sogenannte Ionenfahrstuhl, weiterentwickelt, sodass die kinetische Energie der HCI über Größenordnungen bis auf wenige keV variabel eingestellt werden kann. Eine lasergestützte in-situ Reinigungsmethode wurde speziell für 2D-Materialien geplant und aufgebaut, um hochreine Probensysteme vergleichbar analysieren zu können. Dafür wurden anhand von Molybdändisulfid (MoS2) Kriterien für eine erfolgreiche Reinigung definiert. Der zentrale Aspekt des experimentellen Aufbaus dieser Arbeit war die Planung, Konstruktion und Inbetriebnahme eines Reflektron-Flugzeitmassenspektrometers kombiniert mit einem Excimer-Laser.


Die Auswertung und Diskussion der Massenspektren von einlagigem MoS2 auf Gold- und Siliziumdioxid-Substraten bilden den zweiten Teil dieser Arbeit. Die Probensysteme wurden mit hochgeladenen Xenon-Ionen angeregt, deren potentielle Energie variiert wurde, bei jeweils zwei unterschiedlichen, dafür jedoch konstanten, kinetischen Energien. In dieser Arbeit wurden erstmalig Geschwindigkeitsverteilungen eines 2D-Materials nach Anregung mit HCI ermittelt. So konnte gezeigt werden, dass sich die Geschwindigkeitsverteilungen der zerstäubten Molybdän-Teilchen (Gold-Substrat) bei der Anregung mit Xe5 keV-Ionen nach dem Überschreiten eines Schwellwertes der potentiellen Energie sowohl anhand der Lage als auch der Breite des Maximums der Verteilung unterscheiden. Durch eine zeitliche Betrachtung der Anregungs- und Emissionsprozesse konnte nachgewiesen werden, dass in diesem Fall die Anregung bzw. der Zerstäubungsmechanismus des potential und kinetic sputtering unabhängig voneinander verlaufen. Dahingegen ist bei der Anregung mit Xe260 keV-Ionen ein synergetischer Effekt für die zerstäubten Molybdän-Teilchen (Gold-Substrat) nachgewiesen worden, bei dem sich das potential und kinetic sputtering verstärkend beeinflussen.

Due to their unique manner of interaction with surfaces and solids, highly charged ions (HCI) can be utilized to alter the specific properties of solids. Here, the potential energy of the ion is deposited in a surface near and strongly localized volume, which leads to an extremely high energy density in this region. Depending on the choice of sample material, this energy density may lead to a sputtering of charged or neutral sample particles. In this thesis the sputtering behavior of 2D materials after excitation with HCI is investigated using secondary ion and neutral mass spectrometry.

Initially, the dynamic deceleration unit, the so-called ion lift, was further developed, to allow a variable adjustment of the kinetic energy of the HCI over orders of magnitude down to a few keV. To ensure a comparable analysis of high-purity sample systems, a setup for laser assisted in-situ cleaning was designed and implemented, which meets the specific needs of 2D materials. For this purpose, criteria for successful purification were defined using a molybdenum disulfide (MoS2) sample. The central aspect of the experimental setup of this thesis was the planning, construction and commissioning of a reflectron time-of-flight mass spectrometer combined with an excimer laser.

The evaluation and discussion of the mass spectra of single-layer MoS2 on gold and silicon dioxide substrates form the second part of this work. These measurements were performed using highly charged xenon ions. Their potential energy was varied at two different but constant kinetic energies. Within this work it was for the first time possible to determine velocity distributions of particles sputtered from a 2D material after excitation with HCI. Thus, it could be shown that after exceeding a threshold value of the potential energy, the velocity distributions of the sputtered Mo particles (gold substrate) differ by both, the position of the maximum and the width of the distribution, during the excitation with Xe5 keV-ions. By a temporal analysis of the excitation and emission processes, it was possible to prove that for Xe5 keV measurements the excitation or the emission mechanism of the potential and kinetic sputtering are independent of each other. For excitation with Xe260 keV-ions however, a synergetic effect on the influence on potential and kinetic sputtering for the sputtered Mo particles was observed.

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Ernst, P., 2020. Zerstäubungs-Charakteristika zweidimensionaler Materialien nach Interaktion mit extrem langsamen hochgeladenen Ionen. https://doi.org/10.17185/duepublico/73305
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