Irradiation effects of swift heavy ions in matter (2012)

In dieser Arbeit werden Bestrahlungseffekte von schweren schnellen Ionen in Materie untersucht. Das Augenmerk liegt auf den Ladungaustausch-- und Energieverlusstprozessen des Projektils. Ein oft verwendeter Computercode, welcher Ratengleichungen verwendet, ist der sogenannte ETACHA Code. Dieser Computercode ist ebenfalls in der Lage die als Input benötigten Wirkungsquerschnitte zu berechnen. In dieser Arbeit wird ein neues Model zu Berechnung von Ladungszuständen schwerer schneller Ionen untersucht. Dieses Model, die Matrixmethode, nimmt die Form eines einfachen algebraischen Ausdrucks an, welches ebenfalls Wirkungsquerschnitte als Input voraussetzt. In der gegenwärtigen Implementierung der Matrixmethode werden Wirkungsquerschnitte aus dem ETACHA Code verwendet, wobei Anregung und Abregung vernachlässigt werden. Ladungsfraktionen werden sowohl mit dem ETACHA Code als auch mit der Matrixmethode Ufer ausgewählte Ionen/target Kombinationen berechnet und miteinander verglichen. Für ausreichend hohe Energien ist die Übereinstimmung beider Modelle gut. Jedoch werden ausgeprägte Unterschiede für kleinere Energien sichtbar. Diese Unterschiede rühren daher, dass innerhalb der gegenwärtigen Implementierung der Matrixmethode keine Anregungen und Abregungen berücksichtigt werden. Beide Methoden werden anschließend mit experimentell gemessen Ladungfraktionen verglichen. Hierbei zeigen beide Modelle deutliche Abweichungen von den Experimenten. Während die vorhergesagte Gleichgewichtsladung von beiden Modellen in guter Übereinstimmung mit dem Experiment ist, zeigt die Matrixmethode eine deutliche Überschätzung der Gleichgewichts Eindringtiefe. Auch hier wird angenommen, dass dieser Unterschied durch die Vernachlässigung der Anregungs-- und Abregungsprozesse herrührt. Eine Möglichkeit Abregungsprozesse zu berücksichtigen ist vorgestellt. Es ist bekannt, dass die Bestrahlung von Dielektrika mit schweren schnellen Ionen zu strukturellen Veränderungen sowohl auf der Oberfläche als auch im Volumen führen, so genannte Ionen Spuren. Zu Beschreibung dieser Spuren wird häufig das so genannte zwei Temperaturen Modell (TTM) verwendet. Dieses TTM basiert auf zwei gekoppelten Wärmediffusionsgleichungen, welche den Wärmetransport der Elektronen als auch der Phononen beschreiben. Beide Gleichungen werden durch einen Austauschparamter, der so genannten Elektron--Phonon Kopplung, miteinander gekoppelt. Für die Anwendung des TTM werden Materialparameter wie z.B. die Dichte (der angeregten) Elektronen, die Wärmekapazität der Elektronen und die Elektron--Phonon Kopplung verwendet. Diese Parameter sind, besonders für Halbleiter und Isolatoren, oft nicht bekannt. In dieser Arbeit wird das TTM auf die Bestrahlung von kristallinem Silizium angewendet, um den so genannten Schwellenwert, d.h. die minimal nötige Energie um Strukturveränderungen hervorzurufen, zu berechnen. Es ist gezeigt, dass ohne die nötigen Kenntnisse der Materialparameter, dieser Schwellenwert nur mit einer grossen Unsicherheit bestimmt werden kann. Monte Carlo (MC) Simulationen für die Bestrahlung von SiO$_2$ mit 11.4~MeV/u Ca$^{19+}$ werden vorgestellt. Mit Hilfe dieser MC Simulation wird die Elektronendichte sowie die Energiedichte berechnet, woraus sich wiederum die Elektronentemperatur sowie das Transportverhalten der Elektronen abschätzen lässt. Es wird ein Kriterium vorgestellt, mit welchem es möglich ist zu bestimmen, ob das Elektronensystem mittels thermodynamischen Gleichungen wie dem TTM beschrieben werden kann. Weiterhin werden die benötigten Materialparameter aus den MC Daten extrahiert und in einem TTM verwendet um den Radius der Modifikation zu bestimmen. Dieser Radius ist in guter Übereinstimmung mit experimentell gemessenen Radien für ein ähnliches System.