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| Was Ionen in Werkstoffen bewirken |
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Was Ionen in Werkstoffen bewirken
Wenn energiereiche Ionen
auf Materialien einwirken, ist das auch für den Festkörperphysiker und
Werkstoffingenieur interessant. Das bei der GSI zur Verfügung stehende
Spektrum an Ionensorten und Ionenenergien eröffnet auch der
Materialforschung neue Perspektiven, zum Teil mit einer großen Vielfalt
von technischen Anwendungen. Neben einer fruchtbaren Zusammenarbeit mit
den umliegenden Hochschulen gibt es dabei auch enge Kooperationen mit
der Industrie.
Beim Eindringen eines
energiereichen Ions in einen Festkörper wird das Material längs der
Ionenbahn verändert: Atome werden aus ihrer normalen Lage verschoben,
Moleküle in Bruchstücke zerlegt und geordnete Strukturen - etwa
Kristallgitter - zerstört. Es entsteht eine dauerhafte Ionenspur, deren
Durchmesser und Länge durch Energie und Art des Ions sowie Struktur und
chemische Zusammensetzung des bestrahlten Materials bestimmt sind.
Überlappen sich bei genügend hoher Bestrahlungsdosis die Ionenspuren,
dann lassen sich die physikalischen und chemischen
Materialeigenschaften auch makroskopisch verändern - so weitgehend, daß
man von einem Material mit neuen Eigenschaften sprechen kann.
Die Materialforschung bei der GSI bearbeitet sowohl
grundlagen- als auch anwendungsorientierte Themen. So zielt ein großer
Teil der Untersuchungen auf ein besseres Verständnis der von den
Ionenstrahlen im Festkörper bewirkten Veränderungen, denn nur mit einem
besseren Grundlagenwissen der dabei ablaufenden Prozesse sind gezielte
Werkstoffentwicklungen bis hin zu neuen Materialien auf lange Sicht
möglich. Daneben gibt es bereits jetzt technisch interessante
Anwendungen, wie beispielsweise die Erzeugung von Mikrostrukturen durch
galvanisches Abformen geätzter Spuren, die Herstellung optisch
wellenleitender Komponenten oder die Erhöhung der maximalen
Stromdichten in Supraleitern durch Ionenbeschuß.
Den Ionen auf der »Spur« Schwerionen werden beim
Durchgang durch einen Festkörper stark abgebremst. Dabei wird entlang
der Bahn des Ions durch Stöße mit den Elektronen des Materials
innerhalb sehr kurzer Zeiten eine beträchtliche Energiemenge
übertragen, die zu hohen lokalen Energiedichten führt. Die angestoßenen
Elektronen übertragen ihrerseits Energie auf die benachbarten Atome
oder Moleküle. Liegt das bestrahlte Material als Kristall vor, kann die
kristalline Struktur durch diese Prozesse zerstört werden.
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Querschnitt der Ionenspur eines energiereichen Uran-Ions in
Germaniumsulfid, aufgenommen mit einem
Transmissions-Elektronenmikroskop. Die elliptische Form - mit
Achsenlängen von 21,8 und 15,0 millionstel Millimetern (nm) - ist durch
die Anisotropie des Kristalls verursacht. Die vier
»schmetterlingsartigen« Bildstrukturen stellen die von der Spur
ausgelösten Verspannungen des Kristallgitters dar. |
Das Material geht im engen Umkreis der
Ionenbahn in einen ungeordneten - man sagt - amorphen Zustand über. Es
entsteht eine zylinderförmige, etwa einen hunderttausendstel Millimeter
»dicke« Spur, deren Länge bei hinreichend hoher Anfangsenergie des Ions
mehrere Millimeter betragen kann. Die detaillierte Ausprägung einer
Ionenspur erlaubt Rückschlüsse auf die grundlegenden
Spurbildungsprozesse. So sind Größe, Form und Struktur von Ionenspuren
sowie der Übergangszone zwischen den Kernbereichen der Schädigung und
der intakten Umgebung Gegenstand eingehender Untersuchungen für ein
breitgefächertes Spektrum unterschiedlicher Materialien, von Metallen
über Halbleiter bis zu Isolatoren.
Zum Handwerkszeug dieser Art von Materialforschung gehört ein
ganzes Spektrum von Untersuchungsmethoden, das von hochauflösender
Mikroskopie über Streuung von Röntgenlicht oder Neutronen bis hin zur
Infrarotspektroskopie und zum spurselektiven Ätzen reicht.
Im Wechselspiel zwischen Experiment und Simulationsrechnung
werden Spurbildungsmodelle entwickelt, deren Aussagen mit den
experimentellen Befunden in verschiedenen Materialien verglichen
werden.
Daneben gibt es zahlreiche Anwendungen von Ionenspuren.
Aufgrund ihrer großen Länge im Vergleich zum Durchmesser und ihres
selektiven Verhaltens beim Ätzen erweisen sie sich als besonders gut
geeignet zur Herstellung sehr feiner Strukturen und Objektes mit
Dimensionen, die teilweise unter einem tausendstel Millimeter liegen.
Bei gezielter Wahl der Säuren oder Laugen wird die geschädigte Substanz
im inneren Bereich der Ionenspur deutlich stärker angegriffen als die
unbeschädigte Umgebung, insbesondere bei organischen Substanzen. So
können beim Voranschreiten des Ätzvorgangs längs der Ionenspur,
abhängig von der Ätzbarkeit des unbeschädigten Materials, sehr lange,
nahezu zylindrische Kanäle hergestellt werden. Keine andere
Strukturierungsmethode leistet hier Vergleichbares.
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Galvanisch erzeugte mikroskopisch feine Kupfernadeln mit einer Länge von
etwa 0,1 mm, einem Durchmesser von 2,2 tausendstel Millimeter (µm) und
einem Spitzenkrümmungsradius von 0,17 µm. |
Aufgeätzte Ionenspuren bieten die
Möglichkeit der galvanischen Abformung. Beendet man nach vollständiger
Füllung der Kanäle den Abscheidungsprozeß und löst das Grundmaterial
auf, so ergeben sich aufgrund der hohen Parallelität des Ionenstrahls
parallele mikroskopische Nadeln, die auf einem Metallsockel aufsitzen.
Durch Variation der Geometrie der geätzten Ionenspurkanäle, des
Elektrolyten und der Abscheidungsbedingungen lassen sich Stäbe, Kegel,
Spitzen und Röhren in mikroskopischem Maßstab herstellen. Dank der
formtreuen Wiedergabe erlaubt die galvanische Abformung dabei eine Art
»endoskopischen« Einblick in das Innere der geätzten Ionenspur.
Die galvanische Erzeugung von Mikrostrukturen bietet ein
erhebliches Potential technisch interessanter Anwendungen. So läßt sich
daran denken, galvanisch erzeugte lange dünne Säulen als mikroskopische
Antennen für elektromagnetische Strahlung oder Nadeln als Quellen
fürFeldemissionsströme zu verwenden.
Durch gezielten Einschuß einzelner Ionen lassen sich auch
regelmäßige Punktraster schreiben und nach dem Aufätzen auf den
gewünschten Lochdurchmesser galvanisch abformen. Insgesamt erstrecken
sich die möglichen Anwendungsfelder vonderMikroelektronik über die
Mikromechanik bis hin zu Biologie und Medizin.
»Intelligente« Filtermembranen für Medizin und Biologie
Ein anderes weitgefächertes Anwendungsfeld bieten ionenbestrahlte
Polymerfolien als Membranen mit einheitlicher Porengröße. Der
Porendurchmesser wird durch das bestrahlte Material, die Ionenart und
Energie, sowie durch den Ätzprozeß genau festgelegt. Um Teilchen- oder
Flüssigkeitsströme durch Ionenspurmembranen zu steuern, wendet man
folgenden Kunstgriff an: Auf die geätzte Filtermembran wird eine
quellbare Hydrogelschicht aufgebracht, die die Folie und die Porenwände
bedeckt. Hierbei dient die geätzte Membran als mechanisch stabiles
Trägermaterial. Durch geeignete Wahl des Pfropfpolymers kann man zum
Beispiel eine Hydrogelschicht aufbringen, die bei Absenkung der
Temperatur quillt und bei Erhöhung der Temperatur schrumpft. Somit kann
man im Takt einer Temperaturänderung Poren öffnen und schließen.
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Temperaturgesteuertes Öffnen und Schließen eines gepfropften
Ionenspurkanals in einer Polymerfolie, nachgewiesen über die
elektrische Leitfähigkeit. |
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Lichtleiter-Verzweigung in Plexiglas, hergestellt über Erhöhung des
Brechungsindex mittels Ionenbestrahlung. Das Plexiglas wird durch eine
Maske mit Ionen bestrahlt. Der Verteiler leitet die über eine Glasfaser
eintreffenden Lichtsignale an zwei Empfänger weiter, wobei die beiden
Flecken des Lichtaustritts nur einen Durchmesser von jeweils 7,7 µm
haben. |
Alternativ läßt sich der
Porendurchmesser auch durch den pH-Wert der umgebenden Flüssigkeit
steuern. Damit läßt sich an vielfältige Anwendungen denken,
beispielsweise an eine bedarfsgesteuerte Abgabe von Medikamenten.
In der Telekommunikation und verwandten Gebieten gewinnen
optische Wellenleiter und die dazugehörigen Bauelemente wie Koppler und
Verteiler zunehmend an Bedeutung.
Es ist abzusehen, daß sie in naher Zukunft in großen Stückzahlen und zu günstigen Preisen benötigt werden.
In den letzten Jahren hat sich das Interesse der
Bauelemententwickler mehr und mehr auf die im Materialpreis niedrig
liegenden Polymerverbindungen gerichtet. Neben photochemischen Methoden
ist die Ionenimplantation ein vielversprechendes Verfahren zur
Erzeugung solcher wellenleitenden Strukturen in Polymeren, das auf
folgendem Effekt beruht: Die implantierten Ionen brechen entlang ihrer
Bahn die chemischen Bindungen im Polymer auf. Durch das Ausgasen
niedermolekularer Bruchstücke und die damit verbundene Verdichtung wird
der optische Brechungsindex erhöht. Über die Anfangsenergie der Ionen
läßt sich deren Eindringtiefe festlegen und damit die Tiefe und Dicke
der modifizierten Schicht. Die Ionendosis muß so gewählt werden, daß
die Änderung des Brechungsindex ausreicht, um das Licht auch in
gekrümmten Wellenleiterstrukturen zu führen. Die Bestrahlung erfolgt
dabei durch eine freitragende Maske oder durch eine entsprechend
strukturierte Photolackschicht.
Durch Ionenimplantation - den Einbau zusätzlicher Atome eines
bestimmten chemischen Elements mittels Ionenbestrahlung - lassen sich
die Eigenschaften von metallischen Werkstoffen gezielt verändern. Bei
Hüftgelenkprothesen beispielsweise fertigt man Kugel und Schaft derzeit
häufig aus einer Legierung, die überwiegend das leichte Element Titan
enthält, während man für die künstliche Gelenkpfanne ein Polymer
verwendet. Die Dauerverschleißfestigkeit dieses Systems ist durch
abgegebene Titanoxydpartikel an der Grenzfläche zwischen Gelenkkugel
und Polymerpfanne begrenzt. Durch Implantation verschiedener Ionen
unterschiedlicher Energie in eine dünne Oberflächenschicht der
Titanlegierung wird jetzt eine Verminderung des Materialabriebs
angestrebt. Bei einigen implantierten Elementen zeigte sich im
Laborversuch eine deutliche Herabsetzung des Materialabriebs.
Eine ganz andere Anwendung ist das Testen von Schaltkreisen.
Die kosmische Strahlung kann in den Bordcomputern von Raumfahrzeugen,
Satelliten und in großer Höhe fliegenden Flugzeugen die gespeicherten
Informationen verfälschen oder zerstören. Mit einer
Schwerionen-Mikrosonde lassen sich solche Prozesse simulieren und dabei
die strahlenempfindlichen Bereiche mikroelektronischer Bauelemente
herausfinden. Hierzu wird aus dem Ionenstrahl ein dünner Teilstrahl
ausgeblendet, der durch eine ionenoptische Linse auf eine Ausdehnung
von einem Mikrometer fokussiert und mit einem magnetischen Ablenker
zeilenweise über das zu untersuchende Objekt geführt wird. Beim
Auftreffen eines Ions auf einen Schaltkreis werden Sekundärteilchen
(Ionen und Elektronen) freigesetzt. Diese treffen auf einen Detektor,
dessen Signal den Mikrostrahl innerhalb des Bruchteils einer
Millisekunde abschaltet. Dann sucht ein Rechner im integrierten
Schaltkreis nach Veränderungen gespeicherter Informationen, sogenannten
Bitflips, durch den Ionentreffer. Die Lagekoordinaten des
Mikrosondenstrahls, bei denen sich Bitflips ereignen, werden
festgehalten und ein Lageplan der ionenstrahlempfindlichen Bereiche des
Schaltkreises erstellt.
Ionenspuren verbessern Supraleiter
Zu den
wichtigsten Eigenschaften von Supraleitern - insbesondere im Hinblick
auf ihre Anwendung - zählt die kritische Stromdichte. Sie gibt die
Obergrenze an, bis zu der ein Supraleiter verlustfrei Strom tragen
kann. In den neuen, technisch wichtigen Hochtemperatur-Supraleitern -
sie sind zum Teil noch bei Temperaturen von mehr als 100 Grad über dem
absoluten Nullpunkt supraleitend - dringen äußere Magnetfelder in Form
sogenannter Flußlinien in den Supraleiter ein. Diese wandern im
Material des Leiters und verursachen Energieverluste durch
Wärmeentwicklung. So wird die Bewegung der Flußfäden die bestimmende
Größe für die Begrenzung des Transportstroms und eine effektive
Fixierung der Fäden eine wichtige Forschungs- und Entwicklungsaufgabe.
Man weiß, daß Inhomogenitäten des Materials wie Korngrenzen,
Versetzungen und Poren die Flußfäden binden können, so daß die
verlustfreie Trägerstromdichte erheblich vergrößert wird. An diesen
Sachverhalt knüpfen Untersuchungen mit schweren Ionen an, wobei die
zylindrischen Spuren energiereicher Ionen als Haftzentren der Flußfäden
benützt werden, um gezielt eine erhebliche Erhöhung des kritischen
Stroms zu erreichen.
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