Wiener Forscher untersuchen "Meteoriteneinschläge" im Nanoformat

29. August 2016, 12:04
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Neue Studie klärt, wie energiereiche Ionen Impakt-artige Nanostrukturen auf Kristalloberflächen erzeugen

Wien – Wenn elektrisch geladene Atome (Ionen) mit hoher Geschwindigkeit auf Kristalle geschossen werden, ähneln die entstehenden Strukturen auf der Kristalloberfläche jenen, die beim Einschlag eines Meteoriten auf der Erde entstehen. Wiener Physiker haben nun mit Experimenten und Berechnungen diese Effekte auf Nano-Ebene geklärt und berichten darüber im Fachblatt "Journal of Physics: Condensed Matter".

Beim Einschlag eines Meteoriten im flachen Winkel kann er eine Furche in der Erdoberfläche ziehen und große Materialmengen aufschmelzen. Schießt man schwere Ionen mit hoher Geschwindigkeit im flachen Winkel auf eine Kristalloberfläche und untersucht diese mit einem Rasterkraftmikroskop, erkenne man deutliche Parallelen, erklärte Elisabeth Gruber vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität (TU) Wien.

Das Ion gräbt demnach zunächst eine Rille in den Kristall, die mehrere hundert Nanometer lang sein kann. Beiderseits davon wölbt sich das Material auf, sogenannte "Nanohillocks" entstehen. An der Stelle, wo das Ion endgültig unter der Kristalloberfläche verschwindet, bildet sich eine besonders große Erhebung. Dahinter kann man den Weg des Ions noch ein Stück anhand einer Erhöhung der Oberfläche verfolgen, bis das Atom schließlich tiefer im Kristall zum Stillstand kommt.

Verlässliche Vorhersagen

So weit, so einleuchtend – doch will man diese Vorgänge auf Nano-Ebene verstehen, müssen auch quantenphysikalischen Effekte berücksichtigt werden. Das ist den Physikern nun am Beispiel von Kalziumfluorid gelungen. Mithilfe mathematischer Simulationen sehen sie, wie stark sich die Oberfläche an welchen Stellen aufheizt, wo das Material schmilzt oder sogar verdampft.

So lasse sich gut vorhersagen, welche Nanostrukturen sich auf der Oberfläche bilden, so die Physiker. Das sei wichtig, wenn man etwa Nanostrukturen auf Oberflächen gezielt herstellen will. Die Erkenntnisse helfen aber auch bei der Untersuchung von Materialien, die durch unerwünschten Ionenbeschuss beschädigt werden – beispielsweise elektronische Bauteile in Satelliten, die der kosmischen Strahlung ausgesetzt sind.

Sehr ähnliche Effekte können auch mit langsamen hochgeladenen Ionen erzielt werden, zeigen die Wiener Physik in einer Arbeit, die demnächst in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" erscheint. (APA, 29. 8. 2016)

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