title: Heavy ion cluster interaction with CaF2 and slow highly charged ion interaction with metallic nano-islands
Creators: name: Szabo, Gabriel L.
Publisher: name: TU Wien
Year: 2019
Subjects: subject: highly charged ions
subject: AFM
subject: surface modifications
subject: 2D materials

description: Ionisierte Atome, Atom-Cluster und Moleküle sind ein weit verbreitetes Mittel um die Oberfläche einer Vielzahl an Materialien zu verändern. Um die Anwendungen dafür weiter zu verbessern, ist ein besseres Verständnis der fundamentalen Prozesse während der Bestrahlung wichtig. Wir bestrahlen Gold Nano-Strukturen mit langsamen, hochge- ladenen Ionen (Xe40+) und den Isolator CaF2 mit Ionen aus einer Cluster-Ionen-Quelle (Au+, Au2+, Au3+ und Si++). Einschläge von langsamen, hochgeladenen Ionen auf eine Materialoberfläche können zu einer Strukturveränderung des Materials führen, wie z.B. zu einer Phasentransforma- tion und Erzeugung von Nano-Strukturen. Für diese Umwandlung verantwortlich ist die Anregung der Elektronen im zu bestrahlenden Material, was durch die Neutralisation der Ionen in dem Bereich des Einschlags und die folgliche Erwärmung des Kristall- gitters durch Elektron-Phononen-Kopplung induziert wird. Bis jetzt konnten keine Effekte durch die potentielle Energie der Ionen auf Metallen beobachtet werden. Der Grund dafür ist die hohe Leitfähigkeit von Metallen, die zu einer schnellen Dissipation der elektronischen Anregungen durch die hochgeladenen Ionen führt. Um dieses Vor- gang genauer zu untersuchen wurden einzelne metallische Nano-Inseln mit langsamen, hochgeladenen Ionen bestrahlt und diese danach untersucht, um ein mögliches Mini- mum für die Größe dieser Inseln zu finden, bei dem die Dissipation nicht mehr schnell genug ablaufen kann. Dies würde zu einer Nano-Strukturierung durch Effekte der po- tentiellen Energie führen. Ich zeige in dieser Arbeit, dass es zu einer Veränderung der Gold-Inseln durch Bestrahlung mit langsamen, hochgeladenen Ionen kommt. Die Bestrahlung von Materialien, wie CaF2, mit Cluster-Ionen kann zu einer Erzeugung von sogenannten Hillocks führen, was einer Änderung der Struktur der Oberfläche gle- ich kommt, ähnlich den Ergebnissen durch Bestrahlung mit langsamen, hochgeladenen Ionen. Unterschiedliche Größen und Ladungen der Cluster-Ionen werden für den Be- strahlungsprozess verwendet, um einen Zusammenhang zwischen der Größe der Nanos- trukturen und der Eigenschaften der auftreffenden Ionen herzustellen. Ich zeige im Fol- genden, dass eine solche Strukturveränderung mit Cluster-Ionen bei CaF2 erreicht wer- den kann und vergleiche mögliche Mechanismen zu denen, die für Nanostrukturierung durch langsame, hochgeladene Ionen verantwortlich sind.
description: Ionised atoms, clusters and molecules are widely used to modify the surface of a variety of materials. To improve the methods used, a better understanding of the fundamental processes is needed. We perform irradiation of Au nano-structures with slow highly charged ions (Xe40+) and irradiation of the insulator CaF2 with ions from a cluster-ion source (Au+, Au2+, Au3+ and Si++). Impacts of slow highly charged ions onto a target surface can lead to a change of the materials structure, such as e.g. phase transitions and nano-structures. Responsible for this transformation is the excitation of electrons of the target material due to the neutralization of the ion in the area of the ion impact and subsequent lattice heating mediated by electron-phonon coupling. So far, potential energy effects have not been observed on metallic target materials. This is due to the high electronic conductivity of conductors, which results in a fast dissipation of the electrical excitations induced by the potential energy of the impinging slow highly charged ion (HCI). For a better understanding of the interaction of slow highly charged ions with conductors, single metallic nano-islands were used. It was investigated if a minimum of the lateral size of those structures exists, where beneath it, the electronic excitation cannot dissipate fast enough. In case of an existing threshold, nano-structuring due to potential energy effects can be expected. I show that a change of the Au nano-islands is in fact induced by irradiation with HCIs. Irradiation of a target using cluster-ions can lead to the creation of nano-hillocks and subsequently a change of the surface structure closely resembling previous findings with slow HCIs. Different sizes and charge states of cluster-ions are used in the irradiation process to determine a correlation between size of the nano-structures and properties of the impinging projectile. I show that nano-structuring is achieved with irradiation of CaF2 by cluster-ions and compare possible mechanisms to models for HCI induced surface hillocks.