Wie Ionenbeschuss Metalloberflächen verändert

Providence (USA) – Es funktioniert bisher, ohne den Ablauf zu verstehen: Wer mit einem Ionenstrahl auf Kupfer-, Gold- oder Aluminiumoberflächen schießt, macht sie rauer oder stabiler, er verändert die Metalle auf der Ebene einzelner Atome. Doch bislang waren Versuch und Irrtum nötig, um gewünschte Ergebnisse zu erzielen. Erst jetzt haben Forscher herausgefunden, was genau bei einem solchen Ionenbeschuss abläuft. Sie konnten die physikalischen, nanoplastischen Vorgänge mithilfe einer umfassenden Computersimulation erklären, schreiben sie im Fachblatt „Proceedings of the Royal Society A“. Dies hilft nicht nur der Grundlagenforschung, sondern liefert unterschiedlichen Bereichen wie der Chipherstellung, flexibler Elektronik oder der Medizintechnik ein präziseres Werkzeug.

Schematisches Gitter aus Metallionen. Links ist gezeigt, wie Ionen als rote Kugeln auf ein zweidimensionales Metallgitter treffen, das aus kleineren Kugeln besteht. Zwischen den Zeiträumen von 0,0, 1,7 und 2,1 Pikosekunden bildet sich eine Insel aus farblich abgesetzten Metallatomen, die dicht zusammen hängen. Im zweiten Bild rechts sind diese Atominseln im dreidimensionalen Modell gezeigt.
Insel aus Metallatomen

„Oberflächenmuster und –spannungen durch Ionenstrahlbeschuss sind im Experiment ausführlich untersucht worden, aber konnten bislang nicht präzise vorhergesagt werden“, erklärt Kyung-Suk Kim von der US-amerikanischen Brown University. „Die neue Erkenntnis sollte ermöglichen, die Muster und Spannungen in Nanotechnologie-Produkten gezielt zu kontrollieren.“ Kim und seine Kollegen konzentrierten sich bei ihrem Modell auf die Gruppe der oft eingesetzten FCC-Metalle, zu denen Kupfer, Silber, Gold, Aluminium und Nickel gehören. Sie alle sind im sogenannten kubisch-flächenzentrierten Metallgitter aufgebaut: wie aus einem Würfelstapel, in dem die Atome jeweils in den acht Ecken der Würfel sowie in der Mitte der Flächen sitzen. Um deren Veränderung beim Beschuss mit niederenergetischen Edelgasionen zu erklären, hatten sich auch andere Arbeitsgruppen an Computermodellen versucht. Den Forschern der Brown University gelang es jedoch nun, mehr als einen einzigen Ionenaufprall und gleich zahlreiche Punktdefekte im Metall zu simulieren.

„Zum ersten Mal untersuchen wir hier das kollektive Verhalten dieser Defekte während eines Ionenbombardements in punkto Ionen-Substrat-Kombinationen“, so Kyung-Suk Kim. Laut ihrem Modell kann der Beschuss binnen weniger Pikosekunden drei Hauptmechanismen in Gang setzen, je nachdem, wie die aufprallenden Ionen das Metallsubstrat schmelzen lassen und wie es sich – teils mit eingeschlossenen Ionen – wieder verfestigt. 

Trifft ein Ion auf die Metalloberfläche, so dringt es ein und drängt nahe Metallatome wie Billardkugeln beiseite. Doch anders als beim Schmelzen, das auf atomarem Level ähnlich abläuft, rollen die Kugeln hier nicht davon, sondern kehren wie an einem Gummi gezogen wieder in Richtung Ausgang zurück – das Material verfestigt sich, allerdings oft in neuer Anordnung. So finden sich einerseits Lücken im Kristallgitter, die die Atome darüber zu schließen versuchen – was mehr Spannung erzeugt – und andererseits verdichtete Stellen mit zusätzlichen Atomen im Gitter. Diese Bildung einer jeweils dünneren und dichteren Schicht ist Vorläufer der anderen beiden Prozesse, so die Forscher. Diese Prozesse erklären den Effekt der raueren Oberfläche nach einem Beschuss. Bisher dachte man, einzelne Atome würden verschoben und an die Oberfläche getrieben. Tatsächlich aber, so zeigt das Modell, klumpen ganze Gruppen verschobener Atome binnen weniger Pikosekunden zusammen und treiben gemeinsam an die Oberfläche, erklärt Kyung-Suk Kim: „Der Prozess ist analog zu Menschen, die in den Vorstädten in eine U-Bahn steigen und in der Stoßzeit in der Innenstadt alle zusammen an einer Station an die Oberfläche kommen.“

Als nächstes wollen die Forscher ein Vorhersagemodell für den Ionenbeschuss entwickeln, mit dem sich die Entwicklung von Nanomustern gezielt steuern lässt. Danach wollen sie ihre Untersuchungen auch auf andere Materialien unter extremen Bedingungen ausweiten. Schon jetzt optimiert die Bestrahlung etwa die Silberbeschichtung in optischen Bauteilen oder erzeugt winzige Nanostrukturen, indem die erzeugten Spannungen eine ultradünne Metallschicht auf dehnbarer Unterlage zu winzigen Faltenmustern anregen. Solch veränderte Oberflächen haben neue Eigenschaften in Sachen Reibung, Benetzung, Haftung an biologischen Materialien oder auch optische Reflexion.