Нанопригорки: из гор и кратеров

В сфере нанотехнологий электрически заряженные частицы часто используются как инструменты для поверхностной модификации.

Ученые из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf и университета Вены наконец сумели урегулировать важные проблемы относительно эффектов высокозаряженных ионов на поверхностях.

Ионные лучи уже некоторое время используются для поверхностной модификации, поскольку они способны к переносу настолько высокой энергии, что даже одна частица способна вызвать решительные изменения на поверхности в результате обстрела. В ходе тщательного исследования международная группа ученых сумела пролить свет на причины, по которым в результате данного процесса в одно время кратеры, а в другое — пригорки. Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Заряд вместо скорости

«Если цель в том, чтобы вложить максимум энергии в крошечное пятно на поверхности, сравнительно редко поверхность обстреливают быстрыми атомами», пояснил профессор Фридрих Аумайр. „Быстрые частицы проникают глубоко в материал, вкладывая свою энергию в широком диапазоне“. Однако если сначала удалить электроны из большинства атомов, а затем полученным высокозаряженным ионам позволить столкнуться с поверхностью материала, полученные эффекты будут весьма драматическими, поскольку энергия, которая ранее требовалась для ионизации атомов, теперь выделяется в пределах небольшой области несколько нанометров в диаметре, за ультракороткий промежуток времени.

Это может привести к плавлению небольшого объема материала, утрате упорядоченной атомной структуры и, в итоге, его расширению. Большое количество электронных возбуждений, которые следуют за взаимодействием иона с поверхностью, оказывает сильное влияние на материал и, в конце концов, приводит к тому, что атомы растягиваются из положения. В итоге формируется нанопригорок — крошечное выпячивание на поверхности материала. Если для начала плавления энергии недостаточно, формируются маленькие отверстия или дефекты на поверхности или под ней.

Сложные эксперименты с высокозаряженными ионами были важны для получения детальной картины процессов на поверхности материала не менее чем компьютерные модели и обширная теоретическая работа. „Теперь мы можем намеренно формировать нанопригорки и нанократеры на поверхностях. В сотрудничестве с коллегами мы сумели более подробно исследовать основные физические механизмы процесса“, пояснил доктор Стефан Фацко. Существенный вклад в исследование сделал египетский физик доктор Айман Эль-Саид.

Свои результаты ученые называют недостающей важной частью головоломки, которая поможет им понять взаимодействие высокозаряженных ионов с поверхностью. Подвергнув образец кислотной обработке вслед за ионным обстрелом, исследователи сумели задокументировать степень, с которой поверхность изменилась в результате конкретной энергии воздействия. Формирование нанопригорков в большей степени зависит от состояния заряда ионных лучей и в меньшей степени от их скорости. Формирование кратеров, с другой стороны, зависит и от состояния заряда, и от кинетической энергии ионов.

02.10.2012