Abteilungsbericht 1998 der Abteilung Festkörperphysik der Universität Ulm
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III.B.3. Die UHV-Tieftemperatur-Bestrahlungskammer
Während sonst alle evakuierbaren Bereiche des Ionenbeschleunigers Hochvakuumtechnik-Systeme darstellen, steht der Abteilung jetzt auch eine Ultra-Hochvakuum (UHV)-Bestrahlungskammer zur Verfügung. Sie ist über eine differentielle Pumpstufe mit dem rechten Strahlrohr verbunden.
Der Probenhalter in dieser Bestrahlungskammer ist an einem Tank befestigt, der mit flüssig Stickstoff gekühlt werden kann. Dadurch werden Probentemperaturen von ca. 80 K erreicht. Damit beim Probenwechsel nicht das Ultra-Hochvakuum gebrochen werden muß kann die Probe über eine vorevakuierte Schleuse in die Kammer eingebracht werden. Die UHV-Bestrahlungskammer ist/wird mit einer Reihe von in situ Meßmethoden ausgestattet. In erster Linie soll sie für optische Messungen an dünnen ionenbestrahlten Filmen eingesetzt werden. Weitere Methoden sind: Die Messung des elektrischen Widerstands, die Rutherford-Rückstreu-Analyse, sowie in naher Zukunft die Auger-Analyse.
Für die optischen Messungen wurde die Methode der unterdrückten Totalreflexion (ATR-Technik) realisiert. Bei dieser Methode läßt man monochromatisches, p-polarisiertes Licht auf die Basis eines Prismas fallen, auf die der zu untersuchende Film aufgebracht ist und mißt dessen reflektierte Intensität in Abhängigkeit des Lotwinkels q. Aus den so bestimmten Spektren lassen sich Realteil und Imaginärteil der Dielektrizitätskonstanten bestimmen. Der zu untersuchende Film muß metallischen Charakter haben. In diesem Fall können an dessen Oberfläche Oberflächenplasmonen angeregt werden, wodurch die reflektierte Intensität oberhalb des Grenz-winkels der Totalreflexion in charakteristischer Weise unterdrückt wird. Informationen über das optische Verhalten von Nichtmetallen kann man mit dieser Methode erhalten, indem man diese als dünnen Film auf einen zuvor aufgebrachten Metallfilm abscheidet. Durch die Änderung der dielektrischen Umgebung an der Metalloberfläche wird die Resonanzbedingung für die Anregung der Oberflächenplasmonen geändert, was sich in den ATR-Spektren wiederspiegelt.
Die hohe Sensitivität der ATR-Technik auf dielektrische Bedeckungen ist auch der Grund weshalb die Experimente in einer UHV-Kammer durchgeführt werden müssen. In Experimenten in einer HV-Kammer, bei einem Druck von etwa 1*10-6 mbar, wurde festgestellt, daß unter derartigen Bedingungen, bei tiefen Temperaturen, kontinuierlich ein Wasserfilm auf der Oberfläche des kalten Metallfilms kondensiert.
Als alternative optische Charakterisierungsmöglichkeit können neben den ATR-Messungen auch Transmissionsmessungen an dünnen Filmen durchgeführt werden. In beiden Fällen kann eine Xenon-Kurzbogenlampe und ein Monochromator genutzt werden, um die spektrale Abhängigkeit der optischen Konstanten zu untersuchen. Aufgrund der wesentlich kleineren Strahldiffergenz wurden ATR-Spektren bisher allerdings nur mit dem Licht zweier Laserdioden aufgenommen (l=670 nm bzw. 790 nm).
Mit der Rutherford-Rückstreuanalyse steht uns in der UHV-Bestrahlungskammer eine weitere Charakterisierungsmöglichkeit zur Verfügung. Die Rutherford-Rückstreuung (RBS) ist besonders geeignet, zerstörungsfrei die Dicke und die chemische Zusammensetzung dünner Schichten oder oberflächennaher Bereiche zu bestimmen. Weiterhin können Konzentrationsprofile einzelner Elemente als Funktion der Tiefe in mehrkomponentigen Schichten bestimmt werden.
Die Rutherford-Rückstreuung ist eine Ionenstrahl-Analyse Technik. Ein paralleler, monoenergetischer Strahl leichter Teilchen trifft auf die zu untersuchende Probe. Die Ionen dringen in den oberflächennahen Bereich des Targets ein und werden von dessen Atomen gestreut. Ein Teil der Ionen wird zurückgestreut und mit einem energiedispersiven Detektor nachgewiesen. Aus dem Energiespektrum der rückgestreuten Teilchen lassen sich die oben beschriebenen Informationen extrahieren. Üblicherweise werden RBS-Messungen mit 2 MeV He+-Ionen durchgeführt. An unserer Anlage stehen uns doppelt geladene He-Ionen zur Verfügung mit einer maximalen Energie von 700 keV.
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