Vergleich und Kombination unterschiedlicher Methoden zur Erhöhung der Sekundärionen-Ausbeute von Molekülschichten bei der Sekundärionenmassenspektrometrie

Doctoral examination procedure finished at: Doctoral examination procedure at University of Münster

End date of doctoral examination procedure: 23/05/2011

Name of the doctoral candidate: Heile, Andreas Ernst

Doctoral subject: Physik

Doctoral degree: Dr. rer. nat.

Awarded by: Department 11 - Physics

Im Rahmen der Promotion wurden verschiedene Methoden zur Steigerung der Sekundärionen (SI)-Ausbeute bei der Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) einzeln und in Kombination untersucht. Diese Methoden können in zwei Gruppen aufgeteilt werden: zum einen in die Variation der Primärionen-Parameter wie Masse, Zusammensetzung und Energie der Primärionen (PI) und zum anderen in die durch unterschiedliche präparative Methoden erzeugte Variation der Probenparameter wie Bremsvermögen, Bindungsenergie etc. Während der ausbeutesteigernde Effekt der Variation der PI-Parameter hauptsächlich auf der Erhöhung der oberflächennah, d. h. in den oberen Nanometern der Probe deponierten Energiemenge beruht, nutzen die verschiedenen präparativen Methoden unterschiedliche Funktionsweisen. Wenn Methoden kombiniert werden, die dieselbe Funktionsweise nutzen, können Sättigungseffekte auftreten, sodass die Ausbeutesteigerungen bei der Kombination der Methoden wesentlich geringer ausfallen, als die Verwendung der einzelnen Methoden vermuten ließe. Denn wenn z. B. durch Verwendung einer geeigneten präparativen Methode schon ein Großteil der PI-Energie oberflächennah deponiert wird, kann die Variation der PI-Masse diesen Anteil kaum noch steigern. Es kann zwar ein zusätzlicher ausbeutesteigernde Effekt auftreten; dieser fällt aber wesentlich geringer aus, als Experimente vermuten ließen, bei denen die Methoden einzeln verwendet wurden. Da insbesondere Variationen der PI-Parameter sehr einfach und reproduzierbar durchführbar sind und zudem verlässlich zu einer Steigerung der SI-Ausbeute führen, wurden diese ausführlich in der vorliegenden Arbeit untersucht. Des Weiteren wurde untersucht, inwiefern eine weitere Erhöhung der SI-Ausbeuten erzielt werden kann, wenn verschiedene Methoden kombiniert werden. Bei Kombination der Variationen der PI-Parameter mit Verfahren, deren Funktionsweise nicht auf den oberflächennahen Energieeintrag beruhen, sollten keine Sättigungseffekte auftreten, sodass diese Kombinationen nicht ausführlich untersucht werden müssen, um deren Ausbeutesteigerungen abschätzen zu können. Deswegen wurde die Variation der PI-Parameter mit den präparativen Verfahren kombiniert, die nachweislich auch auf derselben Funktionsweise beruhen (Monolagenpräparation) bzw. auf derselben Funktionsweise beruhen könnten (Metal-assisted SIMS oder kurz MetA-SIMS). Dazu wurden verschiedene Moleküle (Polyethylenimin bzw. Polystyren) und ein Molekülgemisch (Novolak mit verschiedenen Farbstoffen) verwendet und als Proben mit unterschiedlichstem Bremsvermögen präpariert (dicke molekulare Schichten und Monolagenpräparation auf verschiedenartigen Substraten). Für die Untersuchung der MetA-SIMS wurden die Proben mit verschiedenen Mengen Gold bedampft. All diese Proben wurden in vier Messreihen, in denen PI-Parameter variiert wurden, analysiert. Zum einen wurde die Masse monoatomarer PI (Ne+ bis Bi+) und zum anderen die Anzahl der Konstituenten von Bi_n-Ionen erhöht (bis n = 5). Die PI-Energie wurde sowohl bei den monoatomaren (10 keV bis 25 keV) als auch den polyatomaren PI (10 keV bis 50 keV) variiert. Die erzielten Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Kenngrößen wie Bremsvermögen, Substrat-Zerstäubungsausbeute und Eindringtiefe der PI verglichen. Als Zusammenhang wurde eine Potenzfunktion ermittelt, für deren Exponent eine vom Probenaufbau abhängige Abschätzung gefunden wurde. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass auch die Funktionsweise der MetA-SIMS hauptsächlich auf der Erhöhung der oberflächennah eingebrachten Energiemenge beruht. Auf Basis der ermittelten Zusammenhänge ist es nun möglich, die durch Verwendung einer oder mehrerer der hier verwendeten Methoden erzielbaren Steigerung der SI-Ausbeute schon bei der Konzipierung eines SIMS-Experimentes quantitativ abzuschätzen und zu entscheiden, ob diese Steigerungen den zeitlichen und monetären Aufwand und die Inkaufnahme (etwaiger) negativer Effekte rechtfertigt.