Forschung

Analyseverfahren fokussierter Ionenstrahlen und deren Anwendung

Die Ionenstrahlanalyse stellt, obwohl sehr aufwendig, für viele Fragestellungen die einzige Möglichkeit dar, bestimmte Fragestellungen zu beantworten. Die Methoden wurden aus den frei werdenden Mittelenergie Beschleunigeranlagen entwickelt, die einstmals für die Kernphysik genutzt wurden. Eine weitere in den 80er und 90er Jahre entwickelte Technik war es, fokussierende Ionenstrahlen zu nutzen. Die Anlage in Leipzig gehört zu den besten Mikrostrahlanlagen weltweit. Entwickelt wurde die Anlage von David Jamieson in Melbourne und optimiert von der Gruppe unter Tilman Butz und Daniel Spemann. Diese Anlage wird nun erweitert durch eine magnetische Solenoidlinse für schwere Ionen. Dieses Prinzip wurde zum ersten Mal eingesetzt von Carl J. Maggiore und optimiert durch Andreas Stephan und Jan Meijer in Bochum. Beide Anlagen entsprechen dem State of the Art fokussierter Systeme für MeV-Beschleuniger. Die Auflösung beträgt abhängig von der Ionensorte und Energie wenige hundert Nanometer bis zu 40 Nanometer.
Genutzt werden kann die Anlage sowohl für Proton Induced X-ray Emission (PIXE), Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) oder Nuclear Reaction Analysis (NRA) als auch Scanning Transmission Ion Microscopy (STIM) und Ion Beam Induced Charge (IBIC).

Projekt: Nano-STIM und -IBIC mittels Ionentracks
Projekt: Optimierung von Analyseverfahren mit fokussierten Ionenstrahlen

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Präparation und Modifikation von Materialien mit Ionenstrahlen hoher lateraler Auflösung

Neben der Analyse ist die Hauptanwendung von Ionenstrahlen die Modifikation von Materialen. Die Ionenimplantation zur Dotierung von Halbleiterelementen ist die Schlüsseltechnologie bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen. Unser Ziel ist es, die Verfahren zu optimieren und für neue Anwendungen nutzbar zu machen.
Zum einen kann durch fokussierte Ionenstrahlen extrem hohe Fluenz erzeugt werden. Die Stromdichten sind dabei um Größenordnungen höher als nicht fokussierende Systeme. Dies erlaubt es nicht nur Implantationenunter hohen Stromdichten zu studieren, sondern auch in lokal begrenzte Bereiche sehr hohe Dosen zu implantieren. Diese Methode kann z.B. in der Ionenstrahlsynthese genutzt werden. Eine weitere Anwendung ist das lokale Amorphisieren, um beispielsweise leitende Drähte in Diamant durch Umwandlung von Diamant in Graphit zu verwandeln. Als technisches Verfahren nutzt man die Mikrostrahlanlage. Dabei ist die Solenoidlinse von Vorteil weil sie eine schnellen Wechsel der Ionensorte und Ionenmasse sowie der Energie ermöglicht und schwere Massen fokussieren kann.
Eine weitere Anwendung von Ionenstrahlen ist die Einzelionenimplantation. Das Ziel dieser Methode ist das Adressieren einzelner Atome in einem Kristall mit der lateralen Auflösung von wenigen Gitterkonstanten. Nutzt man das Verfahren mit niedrigen kinetischen Eindringenergien kann eine dreidimensionale Strukturierung einzelner Atome mit hoher Auflösung ermöglicht werden. Diese Methode stellt damit eine der Schlüsseltechniken in der Funktionalisierung einzelner Atome dar wie zur Herstellung von Quantencomputern oder Einzelphotonenquellen. Um dieses Zeil zu erreichen wird eine gelochte Atomic Force Microscopy (AFM) Spitze als Nanoapertur genutzt. Die AFM erlaubt eine Adressierung mit atomare Auflösung. Die Nanoapertur kann auf unter 10 Nanometer verkleinert werden.
Als eine neue Methode werden seit kurzem mit GeV-Ionen in Mica erzeugte Iontracks genutzt. Diese geätzten Ionentracks mit einem Durchmesser von einigen Nanometern können mit einem Aspektverhältnis von bis zu 1000 oder mehr hergestellt werden und dienen auch als Maske für schnelle Ionen.

Projekt: Herstellung und Optimierung oberflächennaher NV-Zentren
Projekt: Aktive Steuerung des Ladungszustandes von NV-Zentren
Projekt: Lokale Einstellung des Ladungszustandes von Farbzentren mittels ortsaufgelöster Dotierung
Projekt: Herstellung von Defekten in Diamant und Graphitschichten
Projekt: Modifikation von Diamantoberflächen mittels Ionenbestrahlung
Projekt: Erweiterung des LIPSION-Nanobeams auf schwere Ionen
Projekt: Aufbau einer Einzel-Ionen-Implantation für 100-kV-Implanter

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Untersuchungen von Farbzentren in Diamant und deren Kontrolle

NV-Zentren (gebildet durch ein Stickstoffatom und eine Fehlstelle) in Diamant haben sich als ein besonders interessante Quantenobjekte heraus gebildet. Die Kohärenzzeit beträgt selbst bei Raumtemperatur mehrere Millisekunden und das Zentrum kann optisch ausgelesen und manipuliert werden. Ein einfaches optisches Pumpen reicht, um eine fast 100% Polarisation des Elektronenspins durchzuführen. Hiermit sind bereits die wesentlichen Merkmale erfüllt, die nach den DiVincenzo-Kriterium notwendig sind, um einen Quantencomputer aufzubauen. Um diese Manipulation durchzuführen ist eine Optical Detection of Magnetic Resonance (ODMR) kombiniert mit einem Confocal Laser Scanning Microscope (CLSM) notwendig. In der Abteilung ist bereits ein CLSM installiert. Nun wird zusätzlich eine ODMR aufgebaut, die auch für Supermikroskopie wie Stimuleted Emission and Depletion (STED) nutzbar ist.

Projekt: Optische Untersuchungen von Farbzentren in Diamant und deren Kontrolle

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Dynamische Nukleare Polarisation und Spintronik mittels NV-Zentren

Durch die einfache Ausrichtung des Elektronenspins in einem NV-Zentrum mittels optischem Pumpen, wird es ebenfalls möglich, Kernspins, z.B. 13C-Kerne, zu polarisieren. Es ist zu erwarten, dass auch eine Ankopplung an Protonen, entweder direkt oder durch eine Crosspolarisation, möglich ist. Hierbei kann die Polarisation bei Raumtemperatur und kleinen Magnetfeldern erfolgen. Wäre es möglich, diese Polarisation in großem Maßstab durchzuführen, ergäben sich weitreichende Verbesserungen für die Nuclear Magnetic Resonance (NMR) und Magnetic Resonance Tomography (MRT) Technologie. Zu beachten ist, dass in einem MRT nur 10-5 der Spins für das Signal zur Bildgebung zur Verfügung stehen (alle anderen Spins sind durch einen Partner abgesättigt). Erste einfache Versuche lassen hoffen, dass mittels optischem Pumpen der NV-Zentren eine Polarisation von einigen Prozent oder mehr bei Raumtemperatur möglich ist. Dies bedeutet eine Signalverstärkung von vier Größenordnungen, die in der MRT genutzt werden könnte, um die Auflösung drastisch zu verbessern, bis hin zur Identifizierung entarteter Zellen! Eine weitere Anwendung in der Spintronik ergibt sich, indem man polarisierte Elektronen von NV-Zentren in den Leitungsband hebt. Diese polarisierten Elektronen könnten z.B. mittels des Kerr-Effekts beobachtet werden.

Projekt: Nachweis und Optimierung von 13C-DNP mittels NV-Zentren in bulk-Diamant
Projekt: Nachweis und Optimierung von 13C-DNP mittels NV-Zentren in Diamant-Nanopartikeln
Projekt: Erzeugung spinpolarisierter Elektronen in Diamant

letzte Änderung: 03.02.2017