University of Groningen Charge exchange of multiply charged

University of Groningen
Charge exchange of multiply charged ions with metal surfaces
Folkerts, Lieuwe
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
1992
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Folkerts, L. (1992). Charge exchange of multiply charged ions with metal surfaces s.n.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
Sarnenvatting
Ladingsuitwisseling van
meervoudiggeladen ionen rnet
metaaloppervlakken
De eerste vraag die me vaak gesteld wordt als mijn onderzoek ter
sprake komt is iets
in de trant van: ,,waar is dat nu nuttig voor?"
[1]. Meestal antwoord ik dan dat
de wisselwerking van meervoudiggeladen ionen met oppervlakken in
de eerste plaats
een onderwerp van fundamenteel onderzoek is, en dat mijn belangstelling
voor dit
onderwerp voornamelijk bepaald wordt door de vraag,,Hoe zit
dat?" in plaats van
,,wat kun je ermee?". Desondanks lijkt het me zinvol om juist op deze plaats wel te
beginnen met het beantwoorden van de wat-kun-1e-ermee_vraag.
op onze planeet is de kans erg klein dat je een meervoudiggeladen ion
tegenkomt,
omdat deze alleen kunnen bestaan onder uitzonderlijke omsá-ndigheden.
De dichtsbijzijnde 'natuurlijk' voorkomende meervoudiggeladen ionen b.1riod.r,
zich in een
stralingsgordel rond de aarde op een hoogte van zo,n vijftienduizend
kilometer. In
deze pas ondekte stralingsgordel
- hij heeft zelfs nog
rr.u*
[2]
bevinden
zich
!""rr
deeltjes a{komstig uit de ruimte tussen de sterren, di"!".,rrog"r, geraakt
zijn in het
magnetisch veld van de aarde. In tegenstelling tot de t*"" ul
la-nger bekende van
Allen-gordels bevat deze nieuwe stralingsgorder naast protonen ( eníekondiggeladen
waterstof) ook rneervoudiggeladen ionen.
Dichter bij huis kunnen meervoudiggeladen ionen alleen bestaan
in technische installaties waarin een plasma (een mengsel van ionen en ,vrijer
elektronen) kan worden
gemaakt. Dit is bijvoorbeeld het geval in
fusiereactoren, installaties die gebouwd
worden voor onderzoek met als doel de ontwikkeling van gecontroleerde
kernfusie
als nieuwe, schone energiebron. Fusiereactoren hebben *urrd1rr,
en ionen die uit het
plasma ontsnappen kunnen botsen met deze wand. Deze
ion-wand interacties zotge'
voor een deel van de verontreinigingen in het fusieplasma, en
deze verontreinigingen
zijn een belangrijk obstakel voor het bereiken van de voor fusie
benodigde plurÀu_
condities. om de plasma-wand interactie te begrijpen en goed
te kunnen beschrijven
is meer inzicht nodig in de precieze wisselwerking tussen meervoudiggeladen
ionen en
I te
124
Samenvatting
oppervlakken. Hieraan levert mijn onderzoek een bijdrage.
Iets heel anders en meer speculatief is de mogelijke toepassing van meervoudiggeladen ionen in ionen-lithografie van oppervlakken. Met deze techniek kan een oppervlak op kleine schaal worden gernodificeerd door middel van ionenbombardement. Het
speciale van de meervoudiggeladen ionen is de invloed van de hoge elektrische lading
van de ionen. Indien het lukt om deze lading te deponeren op een klein gebiedje van
het oppervlak, leidt dit mogelijk tot een uitbarsting van de oppervlakte atomen. Met
een dergelijke 'Coulomb explosie' kan één enkel ion al een aanzienlijke oppervlakte
beschadiging aanbrengen. Dit efect kan interessante technische toepassingen hebben
in het modificeren van oppervlakken op nanometer schaal.
Tot zover het antwoord op de wat-kun-je-ermee-vraag, vanaf nu luidt de vraag
weer: ..Hoe zit dat?" .
Alle materie om ons heen is opgebouwd uit zeer kleine deeltjes: de atomen. Hoewel
hun naam anders doet vermoeden - het woord atoom komt van het Griekse woord
'atomost, hetgeen betekent: ondeelbaar- zijn atomen op hun beurt weer opgebouwd
uit een positief geladen kern waaromheen negatief geladen elektronen cirkelen, als
planeten om een zon.
Het aantal elektronen in een atoom is normaal gesproken precies groot genoeg om
de positieve lading van de kern te compenseren, zodat het atoom elektrisch neutraal
is. Wanneer een atoom echter een elektron is kwijtgeraakt, heeft het een positieve
elektrische lading, en zo'Ír geladen atoom wordt een ion genoemd. Mist een atoom
zelfs meer dan één elektron dan heb je dus een rneervoudiggeladen ion.
Neem als voorbeeld een koolstofatoom (C). Een normaal neutraal koolstofatoom
heeft 6 elektronen. In de experimenten heb ik veel gebruik gemaakt van vijfvoudig
geïoniseerde koolstofatomen C5+, ionen met elk nog slechts één elektron. Voor een
ander deel van de metingen is gebruik gemaakt van ionen waarvan ook dit laatste
elektron is verwijderd (C6+), zogenaamdeÀole ionen.
Wat gebeurt er nu als zo'n meervoudiggeladen ion in de buurt van een metaal
oppervlak komt? Een stukje metaal bestaat uit zeer veel atomen, en bevat eet'zee'
van elektronen. (Deze elektronen zorgen o.a. voor de elektrische geleiding.) Het
ligt nu voor de hand om te veronderstellen dat een meervoudiggeladen ion, als het
eenmaal in de buurt van het metaal is, een paar van deze elektronen zal invangen
om weet neutraal te worden. Dit gebeurt inderdaad, maar niet zomaar lukraak, de
invangstprocessen moeten narnelijk voldoen aan bepaalde natuurkundige tregels'.
Een belangrijke regel is de wet van behoud van energie. De elektronen in het
metaal zijn gebonden met een bepaalde energie, en behoud van energie betekent in
dit geval dat een elektron alleen door het ion kan worden ingevangen als de bindingsenergie van het elektron na de invangst gelijk is aan de oorspronkelijke bindingsenergie
in het metaal. De bindingsenergieën in een atoom (of ion) kunnen echter slechts
bepaalile waarden (nivo's) hebben, tussenliggende waarden zijn niet toegestaan.
Het energienivo in het ion, dat overeenkomt met de energie van de metaalelektronen, en waarin de elektronen dus worden ingevangen, is meestal niet het laagste nivo
van dat atoom. Door deze elektroneninvansst ontstaat daardoor een heel biizonder
t
(
(
(
2
l
e
p
Samenvatting
rg van meervoudigLniekkan een opperrombardement. Het
e elektrische lading
r klein gebiedje van
,lakte atomen. Met
enlijke oppervlakte
repassingenhebben
Samenvatting
N'
Figuur S.1: Een hol atoom,
+\
I
nu luidt de vraag
de atomen. Hoewel
het Griekse woord
rt weer opgebouwd
ronen cirkelen, als
:s groot genoeg om
elektrisch neutraal
; het een positieve
t. Mist een atoom
t ion.
:aal koolstofatoom
akt van vijfvoudig
lektron. Voor een
an ook dit laatste
rt van een metaal
en bevat een'zee'
e geleiding.) Het
laden ion, als het
rnen zal invangen
maar lukraak, de
ndige 'regels'.
:lektronen in het
ergie betekent in
r als de bindings: bindingsenergie
:n echter slechts
toegestaan.
e metaalelektrohet laagste nivo
n heel bijzonder
-G-__-
deeltje: een hol atoom. Van buiten af gezien lijkt zo'n atoom vrij normaal: er zijn
voldoende elektronen ingevangen, het atoom is neutraal. Binnenin blijkt echter dat
de meeste elektronen in een te hoog nivo zitten, en de binnennivots zijn nagenoeg
leeg: het atoom is hol (zie figuur S.1).
Een hol atoom blijft niet lang bestaan, omdat het voor de elektronen energetisch
gunstiger is om naar de lager gelegen nivo's te gaan. Dit laatste kan gebeuren via
een zogeheten Auger-proces (spreek uit: oozjee). Bij een Auger-proces zijn twee
elektronen betrokken, het ene elektron duikt naar een lager gelegen nivo, en de energie
die hierbij vrij komt wordt meegegeven aan het tweede elektron (behoud van energie,
zie figuur S.2). Dit tweede elektron heeft nu voldoende energie om te ontsnappen uit
het atoom en de vrije ruimte in te gaan.
In onze experimenten kijken we naar deze ontsnapte elektronen. We meten welke
energie ze hebben, in welke richting ze gaan en we proberen te bepalen hoeveel er
worden uitgezonden. Uit deze meetgegevens kunnen we niet alleen afleideÍL uelke
processen er precies plaatsvinden maar ook waar d.at gebeurt.
Eén van de vragen was bijvoorbeeld of het neutralisatieproces van de ionen geheel
/
JFigunr S.2: Het Auger-proces.
A
"/
I
I
iN
\
I
I
I
L26
Samenvatting
Figuur S.3: Twee achtereenvolgend.e Auger-processen zijn nodig
om d.e twee gaten in het binnenste nivo te vullen.
bouen het metaaloppervlak plaatsvindt, of gedeeltelijk pas zadat het ion het metaal
is binnengedrongen. Gebruikmakend van volledig gestripte (kale) ionen kan worden
aangetoond dat het laatste het geval is.
Een volledig gestript ion heeft Íu.'eeplaatsen beschikbaar (gaten) in het binnenste
elektronennivo. Om dit nivo weer te vullen zijn dus twee achtereenvolgende Augerprocessen nodig (zie figuur S.3). De elektronen die worden uitgezonden door het
eerste proces krijgen echter iets meer energie dan de elektronen a{komstig van het
tweede proces. In de meting van de uitgezonden elektronen vinden we daarom twee
pieken, één piek behorende bij het eerste Auger-proces, en bij een iets lagere energie
de piek van het tweede Auger-proces. Figuur S.4 laat deze pieken zien, voor drie
verschillende meetsituaties.
Het verschil tussen de drie meetsituaties van figuur S.4 is de hoek waaronder de ionen op het oppervlak worden geschoten. Bij een kleine inschiethoek (r/ : 15") dringen
C6* -+ Ni
A
I
v=15o
u=450
2
c)
q
É
(l)
I
I
KVI A253
tD=75o
fln
ir
,l
.E
200
300
200
300
200
300
400
elektronen energie (eV) ----à
Figuur S.4: De twee elekttonenpieken
aÍkomstig van de twee achtercenvolgende
pÍocessen. Bij gtotete inschiethoek tf; neemt piek 2 sneller af dan piek 1.
Auger
Samenvatting
Twee achtereenvolprocessen zijn nodig
:aten in het binnenllen.
ret ion het metaal
ionen kan \ryorden
) in het binnenste
nvolgende Auger:zonden door het
,Íkomstig van het
. we daarom twee
ets lagere energie
n zien, voor drie
waaronder de io4t = L5') dringen
KVI A253
l0
400
Samenvatting
Figuur S.5: Het drie-elekttonAuger-proces.
de ionen maar langzaam het oppervlak binnen, maar bij
toenemende inschiethoeken
(! :
et { - 75') wordt de indringsnerheid steeds groter. we zien
in figuur s.4
.45'
dat als de inschiethoek en dus de indringsnelheid groter
wordt de intensiteit van de
gemeten pieken kleiner wordt, en het is opvarlend dat piek
2 sneller afneemt dan piek
1.
Deze effecten kunnen alleen worden verklaard indien deze
elektronen inderdaad
aÍkomstig zijn van beneden het oppervrak. Elektronen die
beneden het oppervlak
worden uitgezonden hebben namerijk maar een beperkte kans
om uit het opp..rrluk
te ontsnappen en daarna gemeten te worden. Hoe dieper
onder het oppervlak, hoe
kleiner die ontsnappingskans. we weten dat het tweede Auger-proces
altijd no het
eerste komt, en omdat het ion in de tussentijd weer iets verder
het oppervlak binnendringt, komen de elektronen van proces 2 gemiddeld van grotere
di"pi". Dit verklaart
waarom de intensiteit van piek 2 sneller afneemt dan piek 1.
In het voorgaande is er steeds vanuitgegaan dat de twee gaten
in het binnenste
nivo van een kaal ion, opgevuld worden door twee achtereenvofende
Auger-processen
(zie figuur s'3). uit zeer nauwkeurige metingen blijkt echter
áut io eeo (zeer) klein
aantal gevallen, de beide binnenste gaten in één srap worden
opgevuld, en wel met
een drie-elektron-Auger-proces. In zotn drie-elektron-Auger-p.o..".
drrik.r, twee elek_
tronen tegelijk naar het binnenste nivo en de totale energil
die hierbij vrij komt wordt
opgenomen door een derde elektron (zie figuur s.5). Het resultaat
hi"rrr"n is dat het
uitgezonden elektron ongeveer twee keer zoveel energie heeft
als een ,normaal, Augerelektron' De bijdrage van dit nieuwe proces aan de totale interactie
is echter minilm,
slechts minder dan een half promille van de ionen doet
het op deze manier. Het is
daarom vooral interessant voor theoretici dat dit proces ook
optreedt.
Met deze samenvatting hoop ik een begrijperijk overzicht g"g.rr"o
te hebben van
mijn onderzoek. voor meer informatie, , . . lees het hele proefs-ch"rift.
Referenties
,olgende Auger
127
[1] Privé communicaties.
[2] Govert Schilling, Volkskrant,8 februari 1992.