Die Auswertung der charakteristischen Merkmale der Wechselwirkung hochgeladener Ionen (HCI) mit Oberflächen (z. B. Elektronen- oder Röntgenemission, Analyse des Ladungszustands gestreuter Teilchen) ist für vielfältige Anwendungsbereiche wie Katalyse, Plasma-Wand-Wechselwirkung, Materialbearbeitung, Nanostrukturierung von Oberflächen oder in der Astrophysik von entscheidender Bedeutung. Zu den etablierten Verfahren zur Analyse der Oberflächenstruktur zählen die Niedrigenergie-Ionenstreuung (LEIS), die Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) und die Auger-Elektronenspektroskopie (AES). Das aktuelle experimentelle Interesse an der TU Wien konzentriert sich auf die Wechselwirkung von HCI mit sehr dünnen Targets (2D-Strukturen, Graphen) oder die Umstrukturierung von Oberflächen durch den Einschlag einzelner Ionen.

Das theoretische Interesse an HCI-Oberflächen-Wechselwirkungen wird durch die Notwendigkeit geweckt, Methoden aus vielen verschiedenen Bereichen zu kombinieren und weiterzuentwickeln. In großen Abständen von der Oberfläche lässt sich das Projektil zufriedenstellend mit Methoden der Atomphysik beschreiben, die zur Bestimmung der Energieniveaus ionischer Projektile in externen Feldern verwendet werden. Um die Reaktion von Oberflächen auf das Vorhandensein von HCI zu beschreiben, müssen Methoden der Vielteilchenphysik angewendet werden. Im Mittelpunkt der Berechnungen stehen elementare Anregungen in Fermi-Gasen (Plasmonen und Elektron-Loch-Paare) sowie die Polarisation von Oberflächenbereichen, um das Innere des Targets vor dem äußeren Feld abzuschirmen. Die polarisierte Oberfläche führt zu Bildladungen, wie sie aus der Elektrostatik bekannt sind, aber auch zu einer Verlangsamung von Projektilen, die sich parallel zur Oberfläche oder unterhalb derselben bewegen („Stopping Power“).

Wenn sich das HCI der Oberfläche nähert, öffnen sich Elektronentransferkanäle [1], wodurch die Neutralisation des Projektils in Gang gesetzt wird. Unter besonderen Bedingungen kann sogar eine Überneutralisation der Projektile erreicht werden. Dieser Effekt wird zur Erzeugung negativer Ionen bei Streuprozessen an mit Cäsium beschichteten Oberflächen genutzt. In diesem Fall wird die Überneutralisierung des eintreffenden Projektils (in der Regel Wasserstoff) durch die geringe Austrittsarbeit des Materials begünstigt. Beim Aufprall auf die Oberfläche finden verschiedene Prozesse statt, die mit der Umwandlung seiner kinetischen Energie zusammenhängen. Die kinetische Energie des Projektils wird nicht nur auf Zielelektronen, sondern auch auf Zielatome übertragen. Die Sputterreinigung von Oberflächen ist ein bekanntes und effizientes Reinigungsverfahren. In jüngster Zeit werden deutlich geringere Geschwindigkeiten eingesetzt, um die Wechselwirkung auf die unmittelbare Umgebung des Aufprallbereichs zu beschränken, was zu einer lokalisierten Umstrukturierung im Zusammenspiel von kinetischer und potenzieller Energie führt, die in die Kollision eingebracht wird. Eine schematische Darstellung der verschiedenen Stadien der Wechselwirkungen zwischen HCI und der Oberfläche ist in Abb. 1 zu sehen.

© Friedrich Aumayr

Abbildung 1: In großen Abständen zur Oberfläche löst das HCI eine elektronische Reaktion im Ziel aus („Bildladung“). Bei geringeren Entfernungen führt der Elektronentransfer in hoch angeregte Zustände des Projektils zur…

Abbildung 1: In großen Abständen zur Oberfläche löst das HCI eine elektronische Reaktion im Ziel aus („Bildladung“). Bei geringeren Entfernungen führt der Elektronentransfer in hoch angeregte Zustände des Projektils zur Bildung sogenannter „hohler Atome“, die sich verkleinern, je näher sich das Ion der Oberfläche nähert. Eine schnelle Neutralisierung beim Aufprall des Ions auf die Oberfläche führt zur Emission von Elektronen, kann aber aufgrund der lokalen Erwärmung des Kristalls über die Siedetemperatur hinaus auch eine Umstrukturierung des Aufprallbereichs auslösen (von links nach rechts).

Unser derzeitiges Interesse dreht sich um die Wechselwirkung hochgeladener Ionen mit 2-dimensionalen Strukturen (Graphen, MoS₂) und die Simulation der Elektronenemission [2] sowie der Schaffung von Löchern mit Durchmessern von wenigen Nanometern zur Funktionalisierung der Schichten als nano-Siebe [3].

Weiters simulieren wir die Restrukturierung von Insulator-Oberflächen für verschiedene Materialien, wobei wir versuchen, einen Grenzwert für die mindestens erforderliche deponierte Energiemenge abzuleiten [4]. Dazu führen wir umfangreiche MD-Simulationen mit dem Software-Paket LAMMPS [5] durch, um die thermodynamischen Eigenschaften der Target-Materialien möglichst präzise zu berücksichtigen.

[1] J. Burgdörfer, P. Lerner, F.W. Meyer, Phys. Rev. A 44, 5674 (1991), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

[2] V. Vojtech, C. Lemell, A. Niggas, M. Werl, F. Vukovic, F. Aguilar-Galindo, A.G. Borissov, F. Aumayr, and R.A. Wilhelm, Phys. Rev. Lett., under review (2026).

[3] A. Sagar Grossek, A. Niggas, R.A. Wilhelm, F. Aumayr, C. Lemell, Nano Lett. 22, 9679 (2022), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

[4] A. S. El-Said, R. A. Wilhelm, R. Heller, S. Facsko, C. Lemell, G. Wachter, J. Burgdörfer, R. Ritter, F. Aumayr, Phys. Rev. Lett. 109, 117602 (2012), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, A. S. El-Said et al., in preparation (2026).

[5] A. P. Thompson, et al., Comp. Phys. Comm. 271, 108171 (2022), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, https://www.lammps.org, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster