Materialforschung mit nuklearen Sonden und Ionenstrahlen

Bei nahezu allen Untersuchungensmethoden der nuklwaren Festkörperphysik betreibt man Spektroskopie von Gamma- und Teilchenstrahlung aus radioaktiven Zerfällen (Sonden- und Tracermethoden) sowie aus Kernreaktionen und gestreuten Primärstrahlen (Strahlmethoden). Aus den Eigenschaften der detektierten Strahlung (Energiespektrum, Intensität, Richtungsverteilung, Zeitabhängigkeit,...) kann man Informationen über die Zusammensetzung, Struktur und andere Eigenschaften des untersuchten Materials gewinnen. Bei den meisten dieser nuklearen Analyseverfahren handelt es sich um weitgehend zerstörungsfreie Techniken, die zudem oft ein räumliches Auflösungsvermögen im (Sub-)Nanometerbereich besitzen. Sie zeichnen sich durch eine sehr hohe Nachweisempfindlichkeit und Element- bzw. Isotopenselektivität aus. Typische Vertreter von Sonden- und Tracermethoden sind die Mössbauerspektroskopie (CEMS, CXMS, TMS), die gestörte Gamma-Gamma-Winkelkorrelation (PAC), die Positronenvernichtung und auch die Myon-Spinresonanz (µSR). Im Bereich der Strahlmethoden werden unter dem Oberbegriff Ionenstrahlanalytik Methoden wie Rutherford Rückstreuspektroskopie (RBS), Analyse elastisch gestreuter Rückstoßteilchen (ERDA), resonante und nicht-resonante Kernreaktionsanalyse (NRA), Teilcheninduzierte Röntgenemission (PIXE), Channeling usw. zusammengefasst. Daneben gibt es aber auch Methoden, bei denen Gamma- und Röntgenstrahlen als Primärstrahlung verwendet wird, beispielsweise bei der Kernresonanzfluoreszenz (NRF) und der Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS).

Materialmodifikation

Neben ihrer Anwendung in der Analytik werden Ionenstrahlen und Elektronenstrahlen häufig auch zur Modifikation von Materialien eingesetzt. Die Ionenimplantation, als ein typischer Vertreter dieser Techniken, ist aus der Prozessführung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen nicht mehr wegzudenken. Neben der Implantation des Ions spielt aber auch die bei der Abbremsung relativ langsamer Ionen (keV/amu) deponierte Energiedichte (nuklearer Energieverlust) und die damit verbundene große Zahl von direkten Atomverlagerungen (bis zu mehreren tausend pro eingeschossenem Ion) eine wichtige Rolle. Diese Energiedesposition kann zu strukturellen Veränderungen (z.B. Amorphisierung, Rekristallisation) oder zu Atomtransport über Grenzflächen hinweg führt (Sputtern, Ionenmischen). Auch bei sehr hohen Strahlenergien (> MeV/amu), wo direkte Atomverlagerungen nur noch eine untergeordnete Rolle spielen und die kinetische Energie des Ions im wesentlichen durch elektronische Anregung und Ionisation deponiert wird (elektronischer Energieverlust), kommt es zu einer sehr hohen lokalen Anregung des Festkörpers und in vielen Fällen zu einer Veränderung seiner Struktur (Ionenspuren). Diese Effekte können zu großen und technologisch sehr interessanten Veränderungen der Eigenschaften des bestrahlten Materials führen (Oberflächenhärtung, Bruchfestigkeitsverbesserung, Spannungsrelaxation in dünnen Schichten, lokale Änderungen der Brechzahl, Bildung von Hochtemperatur- und Hochdruckphasen, usw).