Pattern formation and evolution on Pt(111) by grazing incident ion bombardment

Hansen, Henri; Michely, Thomas

doi:HT014491648

Pattern formation and evolution on Pt(111) by grazing incident ion bombardment

Hansen, Henri (Author)

2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Henri Hansen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

UmfangXIV, 204 S. : : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Michely, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-06-10

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-12088
DOI: 10.18154/RWTH-CONV-123727
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62134/files/62134.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Platin (Genormte SW) ; Kristallfläche (Genormte SW) ; Musterbildung (Genormte SW) ; Ionenbestrahlung (Genormte SW) ; Streifender Einfall (Genormte SW) ; Physik (frei) ; streifender Ionenbeschuss (frei) ; Rastertunnelmikroskopie (frei) ; Defekt (frei) ; Zerstäubungsausbeute (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Anhand der Bestimmung der durch streifenden Ionenbeschuss abgetragenen Materialmengen auf einer Pt(111) Probe mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) war es zum ersten mal möglich die zwei verschiedenen Zerstäubungsausbeuten für Ionen die auf aufwärtsführende Stufenkanten bzw. flache Terrassen auftreffen zu bestimmen. Das Analysieren der Schadensbilder von einzelnen Ioneneinschüssen und kleinen Ionendosen ermöglichte die Aufstellung eines atomistischen Modells für die Ausbildung von sehr regelmässigen Wellenmuster. Für Temperaturen T < 450 K ist die Ausbildung des Wellenmusters ausschliesslich durch die Effekte des Ionenstrahls, der bevorzugt Material an den aufwärtsführenden Stufenkanten entfernt, gegeben. Für Temperaturen T > 450 K überschattet die Diffusion die Effekte des Ionenstrahls. Dadurch, dass Ionen an aufwärtsführenden Stufenkanten unter die oberste Atomlage eindringen können ist es jedoch möglich Ketten von Leerstelleninseln entlang der Ionenstrahlrichtung auszubilden. Diese Ketten von Leerstelleninseln verschmelzen bevorzugt in Ionenstrahlrichtung und tragen damit entschieden zu der Ausbildung von Wellenmuster bei. Temperaturabhängige Messungen zeigen, dass es nur ein Temperaturfenster gibt in dem sich Wellenmuster ausbilden können. Dieser Bereich lässt sich in 2 Teilbereiche einteilen: Für T < 450 K bildet sich ein Muster mit konstanter Wellenlänge und für T > 450 K steigt die Wellenlänge schnell mit der Temperatur an. Die RMS Rauhigkeit steigt bis T = 550 K an und fällt für höhere Temperaturen wieder ab. Die Temperaturabhängigkeit der reskalierten Defektkonzentration in den Wellenmuster zeigt einen ähnlichen Verlauf wie die Wellenlänge. Der Anstieg für T > 450 K ist auf das Einsetzen der Stufenkantendiffusion zurückzuführen. Die Fluenzabhängigkeit wurde für verschiedene Temperaturen untersucht. Die RMS Rauhigkeit folgt stets einem Potenzgesetz. Die Wellenlänge folgt bis zu einer Fluenz von 70 Monolagen ebenfalls ein Potenzgesetz, darüber hinaus steigt die Vergröberungsgeschwindigkeit jedoch schnell an. Ausgehend von der höheren Zerstäubungsausbeute an aufwärtsführenden Stufenkanten wurde ein Modell für die Vergröberung entwickelt, das auf dem Entfernen von einzelnen Wellenzügen beruht.Die Winkelabhängigkeit zeigt, dass die Wellenlänge der Muster nur leicht, die RMS Rauhigkeit jedoch stark mit steigendem Einfallswinkel der Ionen abfällt. Beide Verhalten lassen sich mit einer Abnahme der entfernten Materialmenge bei steigendem Einfallswinkel erklären. Die Wellenlänge als auch die RMS Rauhigkeit steigen linear mit der Ionenenergie an. Der Anstieg der RMS Rauhigkeit lässt sich mit Hilfe der grösseren abgetragenen Materialmenge bei höheren Ionenenergieen erklären. Die Entwicklung der Wellenlänge wird jedoch noch zusätzlich durch die anfängliche Wellenlänge, die wiederum energieabhängig ist mitbestimmt.

By analyzing by scanning tunnelling microscopy (STM) the amount of material which is removed during grazing incidence ion bombardment from a Pt(111) sample, it was possible to determine the different sputtering yields of ions impinging either on ascending step edges or hitting onto flat terraces. From the analysis of damage patterns of single ion impacts and low fluence experiments it was possible to elaborate a model to explain pattern formation during grazing incidence ion bombardment. For temperatures T < 450K the development of the patterns is solely due to the effects of the ion beam, which removes preferentially material at ascending step edges. At higher temperatures T > 450 K diffusion processes overshadow the effects of the ion beam. In this temperature regime ions channelling underneath the topmost layer create chains of vacancy islands. These islands coalesce preferentially along the ion beam direction and are therefore essential fort he formation of the ripple patterns. Temperature dependent measurements reveal that the ripple formation is only possible within a temperature window. This temperature range can be divided into two distinct ranges: for T < 450 a pattern with a constant wavelength forms while for T > 450 K the wavelength increases rapidly with rising temperatures. The RMS roughness increases up to T = 550 K and decreases for higher temperatures. The temperature dependence of the rescaled defect densities behaves similar to the wavelength. The increase for T > 450 K is related to the onset of step edge diffusion at this temperature. The fluence dependency is analyzed for different sample temperatures. The RMS roughness follows in each case a power law. The wavelength too follows a power law up to an ion fluence of 70 monolayers. For even higher ion fluences the coarsening speed increases. Founded on the higher sputtering yield at ascending step edges a coarsening model based on the erasure of ripples is developed. Changing the angle of incidence reveals that the wavelength depends only slightly onto the angle of incidence while the RMS roughness changes much strongly with increasing angles of incidence. Both behaviours are explained by the decrease of the removed material with increasing angle of incidence. The wavelength as well as the RMS roughness increases linearly with increasing ion energy. The increase of the RMS roughness can be explained by solely considering the increase of the removed material by increasing the ion energy. To explain the behaviour of the wavelength additionally to the increase of the removed material, the initial wavelength, which is energy dependent, has to be considered.

OpenAccess:
PDF
(additional files)