Löcher schießen mit Ionenstrahlen

1. Mai 2014, 15:06
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Stark geladene Atome eignen sich zum Durchlöchern hauchdünner Kohlenstoff-Schichten

Wien - Ein deutsch-österreichisches Forscherteam hat eine neue Methode entwickelt, mit der sich Nano-Siebe mit winzigen Löchern im Labor herstellen lassen: Die Wissenschafter haben nur wenige Atomlagen dünne Folien mit stark geladenen Ionen beschossen.

Wenn man mit einem Gewehr auf eine Holzplatte feuert, werden die Kugeln abgebremst. Ähnliches passiert mit Ionen, die man durch ein dünnes Material schießt. Wenn die Schichten aber extrem dünn sind, sieht die Sache anders aus. Die Wissenschafter haben in ihrem Experiment Xenon-Ionen durch aus nur wenigen Atomlagen bestehende, ein Nanometer (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter) starke Kohlenstoff-Schichten geschossen. Dabei stellten sie fest, dass die geladenen Ionen unterschiedlich stark abgebremst werden. "Auf der anderen Seite der Folie wurden zwei unterschiedliche Sorten von Ionen mit unterschiedlichen Energie- und Ladungsverteilungen detektiert", erklärte Friedrich Aumayr vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien.

Es gibt Ionen, die beim Durchdringen der Schichten ihre elektrische Ladung drastisch verändern. Sie holen sich eine große Zahl von Elektronen aus der Folie und verlieren gleichzeitig Energie. Der Grund ist, dass sie frontal mit einem Atomkern in der Kohlenstoff-Schicht kollidiert sind. Andere Ionen fliegen dagegen zwischen allen Atomkernen hindurch, werden daher kaum beeinflusst, sind immer noch hoch geladen und haben praktisch keine Energie verloren.

Gezielt gesteuerte Xenon-Ionen

Die Wissenschafter konnten nun zeigen, dass der Energieverlust der Ionen von ihrem ursprünglichen Ladungszustand abhängt und daher gezielt gesteuert werden kann. Wenn man den geladenen Atomen vor dem Beschuss besonders viele Elektronen wegnimmt und sie damit sehr stark positiv geladen sind, lassen sich damit Löcher in die Schichten schießen.

Die stark geladenen Ionen nehmen bei der Kollision mit einem Kohlenstoff-Atom diesem so viele Elektronen weg, dass die Bindungen zu den anderen Kohlenstoff-Atomen brechen und ein Loch mit der Größe zwischen fünf und 15 Nanometer entsteht. "Mit unseren hochgeladenen Ionen können wir nun in vier Sekunden eine Million Löcher in einen Quadratzentimeter Folie schießen", so Aumayr.

Damit wird der Strahl hochgeladener Ionen gleichsam zur "Nano-Schrotflinte", mit der sich etwa Nano-Siebe herstellen lassen, deren Löcher bestimmte Moleküle gezielt durchlassen und andere nicht. In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschafter die Experimente mit den dünnsten aller möglichen Kohlenstoff-Schichten durchführen: Mit Graphen, das aus bloß einer Atomlage besteht. (APA/red, derStandard.at, 01.05.2014)

  • Die Darstellung illustriert die unterschiedlichen Ionen auf ihren Wegen durch die Kohlenstoff-Folie: Bei höherer Ladung werden die Xenon-Ionen stärker abgelenkt, geringere Ladung lässt sie gerade durch sausen, ohne Spuren zu hinterlassen.
    illu.: tu wien

    Die Darstellung illustriert die unterschiedlichen Ionen auf ihren Wegen durch die Kohlenstoff-Folie: Bei höherer Ladung werden die Xenon-Ionen stärker abgelenkt, geringere Ladung lässt sie gerade durch sausen, ohne Spuren zu hinterlassen.

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