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Billard mit Atomen: Physik mit schnellen Ionen Prof. Dr. Wolfhard Möller TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF PHYSIK AM SAMSTAG.

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Präsentation zum Thema: "Billard mit Atomen: Physik mit schnellen Ionen Prof. Dr. Wolfhard Möller TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF PHYSIK AM SAMSTAG."—  Präsentation transkript:

1 Billard mit Atomen: Physik mit schnellen Ionen Prof. Dr. Wolfhard Möller TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF PHYSIK AM SAMSTAG 9. Dezember 2000 samstag.physik.tu-dresden.de anschließend: Mill-Ionen-Preisspiel ! !

2 ! ! Was sind Ionen ? Atom Elektronen- Anlagerung pm 1, fm 1 Pikometer (pm) = m 1 Femtometer (fm) = m x Negatives Ion Positives Ion Ionisierung Spezielle Ionen: Negatives Wasserstoff- Ion (H - ) + Positives Wasserstoff- Ion = Proton (H + ; p) + + Zweifach positives Helium-Ion = -Teilchen (He 2+ ; ) Geladene Atome ! ! ! ! Anzahl der Protonen = Ordnungszahl ! !

3 Wie erzeugt man Ionen ? Stoß mit schnellem Elektron Gasentladungs-Plasma e-e- e-e- e-e Elektrische Leistung (z.B. Mikrowelle) Verdünntes Gas (Vakuum ca mbar) Plasma: Der vierte Aggregatzustand der Materie gasförmig + + flüssig fest Plasma Temperatur der Elektronen: > o C ! !

4 Wie beschleunigt man Ionen ? Ionenquelle + - Target Spannungsversorgung U d Elektrisches Feld Kraft im Elektrisches Feld q: Ionenladung a: Beschleunigung m: Ionenmasse Kinetische Endenergie v: Geschwindigkeit Beispiel: 1-fach geladenes Ion: q = e = 1,6· As (Elementarladung); U = 1,5 V E kin = 2,4· Ws = 1,5 eV Ein Ion erhält eine Energie von 1 eV, wenn es eine Spannung von 1 V durchläuft Ionen- Geschwindigkeit Beispiel: Proton (H + ): E kin = 1 eV entspricht v = 13 km/s Vakuum < mbar ! !

5 Wie bringt man Ionen ans Ziel ? Ablenkung im elektrischen Feld (Zylinderkondensator) Gleichgewicht der Kräfte Krümmungsradius - + r F zentr F elektr s V Ablenkung im magnetischen Feld Gleichgewicht der Kräfte Krümmungsradius r - F zentr F magn N S B

6 FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung Ionen-Implantationsanlage (Implanter) ( ~ keV )

7 FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung Elektrostatischer Tandem-Beschleuniger Ionenenergie q Ionenladung Quelle für negative Ionen Analysier- Magnet U beschl Injektor- Magnet Hochspannungselektrode mit Umladungseinrichtung

8 Ionenbeschuß von Festkörpern Kristallstruktur 3D (z.B. Nickel) Schnitt 2D (2D-Modell) + Oberfläche Atomrümpfe Bindungselektronen (Elektronengas) ca. 0,25 nm

9 Ionen-Oberflächen-Wechselwirkung + T el E inel Zwei Mechanismen des Energieverlustes: Elastische Stöße mit den Atomrümpfen (Energieübertrag T el ) Reibung an den Elektronen (Energieverlust E inel ) Keine Richtungsänderung ! Ionenbahn im Festkörper: Folge von Zweierstößen mit den Atomrümpfen (falls E kin > 10 eV) Reichweite Abbremszeit: ca. 0,1 ps = s ! ! ! ! ! !

10 Energy (keV) Reichweite (nm ) Ge + SiO 2 Si + SiO Energy (keV) 0 5 Bremsung (keV/nm ) 10 Ge + Si Elektronen Total Atomrümpfe Ionen-Bremsung und -Reichweite ! Reichweite (nm ) E nergy (keV) ! ! !

11 Billard - Modellversuch + Idealisierung: Kraft zwischen zwei Atomen (oder zwischen Ion und Atom) d 2r Wechselwirkungs - Kraft 0 2r 0 0 Abstand d Billard-Modell Harte Kugeln Reale Atome Abstoßung der Atomkerne Ruhelage

12 + Reichweite Computer-Simulation von Ionenbahnen Wechselwirkungs-Kraft 0 0 Abstand Reale Atome Abstoßung der Atomkerne Zweierstoß-Näherung Viele Ionenbahnen nacheinander mit verschiedenen Stoßvorgängen (Monte- Carlo-Simulation) Statistische Auswertung ! !

13 Tiefe ( m) Einschuß Oberfläche Computer-Simulation von Ionenbahnen Stickstoff-Ionen eingeschossen in Eisen Energie: 1 MeV +

14 Mikroelektronik in Dresden

15 Ionen zur Halbleiter-Aktivierung p-type substrate with a thin epitaxial layerN-well and p-well high-energy implants and anneal Isolation-trench etch and channel-stop implants Trench fill, etch-back, and threshold adjust implants Gate oxidation, gate poly deposition, and gate poly etch Shallow source/drain extension implants and tilted halo implants Sidewall spacer formation Deep source/drain implants SalicidationFirst intermetal oxide deposition Contact hole etch, contact hole fill, metal1 deposition, and metal1 etch ! !

16 Strahlenschäden durch atomare Stöße 0, m m Dauer einer Stoßkaskade: etwa s ! !

17 Ionen - Channeling + Blick in KristallrichtungKristall rotiert Größere Reichweite Weniger Strahlenschäden (da nur schwache Stöße mit kleinen Winkelablenkungen) ! !

18 Ionenzerstäubung (Sputtern) Oberflächenatom erhält aus der Stoßkaskade genügend Energie, um zu verdampfen, d.h. Bindungsenergie an der Oberfläche zu überwinden Zerstäubungs- Ausbeute N z : Anzahl der zerstäubten Atome N i : Anzahl der einfallenden Ionen Ionenenergie (keV) 0,01 0, ,5 1 1,5 Zerstäubungsausbeute ! !

19 Molekulardynamische Computer-Simulation Realistische Kräfte zwischen Atomen und Ionen Simultane Lösung der Newtonschen Bewegungsgleichung für alle Teilchen ( i=1...N+1) N Gitteratome F ij : Kraft, mit der das Nachbarato m j auf das Atom i wirkt Lösung in Zeitschritten: ca. 0,1 fs = s Auch für sehr kleine Energien (<< 1 eV) anwendbar Thermische Schwingungen können berücksichtigt werden (E kin 25 meV bei Raumtemperatur)

20 Molekulardynamische Computer-Simulation der Ionenzerstäubung Einschuß- richtung Ein Argon-Ion eingeschossen in einen Kupferkristall bei tiefer Temperatur (100 Kelvin) Energie 1 keV Bild zur Zeit 0,36 ps nach Ioneneinschlag Farbskala: Temperatur der Atome dividiert durch die Schmelztemperatur von Kupfer ca. Schmelztemperatur (1357 Kelvin) oberhalbSchmelztemperatur + Zerstäubte Kupferatome

21 Zerstäubung (Sputtern) für Beschichtungsprozesse SSN ++ ~ Hochfrequenz Magnet Target Plasma Ionen Targetatome Beschichtung Substrat (z.B.Flachglas) Magnetron- Sputtern ! !

22 Das Preisspiel... um hier Spaß für alle Wertvolle Preise (für wenige) Man kann noch etwas lernen PHYSIK AM SAMSTAG TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF

23 Ein Dankeschön...an alle Beteiligten W. Keller (Organisation) PHYSIK AM SAMSTAG TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF T.Mahler, F.Radtke (Hörsaal) D.Kost, H.Tyrroff (Billard) A.Kolitsch, C.Neelmeijer (Mill-Ionen-Spiel)


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