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Negative Ion formation in Ion-Molecule and Ion-Surface collisions

  • Energetic ions are made to collide with atmospheric molecules. Positively charged ions of argon (Ar^+), helium (He^+), hydrogen (H_2^+ ), and protons (H^+) with energies of 50 keV to 350 keV are used as the bombarding ion. The ion beam of desired energy is produced using a linear ion accelerator at the University of Greifswald. The mass and energy distribution of sputtered particles were analysed using an Electrostatic Quadrupole SIMS (EQS) analyser. The target gases used are oxygen (O_2), sulfur hexafluoride (SF_6), and nitrogen (N_2). The ionized and fragmented particles due to collisions have been investigated. We have discovered a new process for negative ion formation in energetic ion collision with O_2 and SF_6 molecules. The process is a two body reaction between the projectile and the molecule without the need for a third particle (such as an external electron). It requires a direct charge transfer from the projectile to the molecule leaving it intact as O_2^- or SF_6^- . The process is experimentally confirmed by using a proton as projectile which does not have an electron to transfer. In comparison with positive ion fractions (O_2^+ , SF_5^+ ), the negative ions fraction is smaller by 2 orders of magnitude. This shows that the two body charge exchange process is weak due to the larger energy transfer required compared to the positive ion forming mechanisms. The two body charge exchange mechanism is not observed for ion collisions with N_2 molecule. No stable negative ion exist for N_2 molecule. The collision cross section for the ion formation during energetic ion – O_2 collision has been determined within the investigated impact energy. For SF_6 molecule the partial ion fraction of the secondary ions are determined for different projectiles involved. This kind of investigation is of great importance mainly in atmospheric physics. Energetic ions are constantly emitted from mass of the energy sources in the universe (e.g. sun). They interact with planetary objects or atmosphere on their way. A deep knowledge about the interaction processes is necessary to understand the ionospheric physics and space exploration. As second part of my thesis, a GaAs(100) surface is bombarded with 150 keV Ar^+ ion beam. From etching the surface to thin film coating, ion bombardment on solid surface found great role in the fabrication process of modern electronic and optical devices. In order to increase the knowledge on sputtering materials and because of profound importance in modern electronics, we choose GaAs(100) as our target. Among the sputtered atoms and ions, small sized cluster ions having more than 6 atoms have been identified. GaAs is a heteroatomic semiconductor containing gallium and arsenic in equal ratio. A preferential phenomenon of ’abundant sputtering’ of gallium compared to little arsenic (GaAs) has been investigated from their mass intensity. The experimental ion counts are compared with theoretically predicted relative abundance. This phenomenon of preferential sputtering is known for atomic species of sputtered GaAs but not for the sputtered cluster ions. The main reasons for this abundant sputtering of one element is attributed to the difference in ion formation energies and surface compositional change taking place during the sputtering process. Another notable characteristics is the preference in charge state among the sputtered ions. For instance, among sputtered atomic ions the ion counts of Ga^+ is 3 orders larger than As^+ ion and As^- is 2 orders larger than Ga^- ion. To get a clue for this behavior, we have investigated the energy distribution of both negatively and positively charged clusters. Different ion formation mechanisms were discussed. The energy distribution of atomic ion is partially explained by using a modified theory given by M. W. Thompson.
  • Energetische Ionen werden gebildet, um mit Luftmolekülen kollidieren. Positiv geladene Ionen von Argon (Ar^+), Helium (He^+), Wasserstoff (H_2^+) und Protonen (H^+) mit einer Energie von 50 keV bis 350 keV werden als Ionen bombardieren verwendet. Der Ionenstrahl mit der gewünschten Energie wird unter Verwendung eines linearen Ionenbeschleuniger an der Universität Greifswald hergestellt. Die Masse und Energieverteilung der zerstäubten Partikel wurden mit einer elektrostatischen Quadrupol SIMS (EQS) analysiert. Das verwendete Target Gase Sauerstoff (O_2), Schwefelhexafluorid (SF_6) und Stickstoff (N_2). Die ionisierten und fragmentierten Teilchen durch Kollisionen untersucht. Wir haben ein neues Verfahren für negative Ionenbildung in der energetischen Ionen Kollision mit O_2 und SF_6 Moleküle entdeckt. Das Verfahren ist ein zwei Körperreaktion zwischen dem Geschoss und dem Molekül ohne die Notwendigkeit für einen dritten Partikel (wie beispielsweise ein externer Elektronendonor). Es erfordert eine direkte Ladungstransfer vom Projektil auf das Molekül so dass es intakt wie O_2^- oder SF_6^-. Der Prozess wird experimentell durch die Verwendung eines Proton als Projektil, das nicht ein Elektron übertragen haben nicht bestätigt. Im Vergleich mit positiven Ionen Fraktionen (O_2^+, SF_5^+), ist die Fraktion, die kleiner negativen Ionen um 2 Größenordnungen. Dies zeigt, dass die beiden Körper Ladungsaustauschprozeß schwach ist aufgrund der größeren Energieübertragung benötigt im Vergleich zu den positiven Ionenerzeugungsmechanismen. Die beiden Körperladungsaustausch-Mechanismus ist nicht für Ionenkollisionen mit N_2 Molekül beobachtet. Kein stabiler negativer Ionen existieren N_2 Molekül. Als zweiten Teil meiner Arbeit wird ein GaAs (100) -Oberfläche mit 150 keV Ar^+ Ionenstrahl beschossen. Vor dem Ätzen der Oberfläche, um Dünnfilmbeschichtung, Ionenbeschuß auf festen Oberfläche zu finden große Rolle bei dem Herstellungsverfahren der modernen elektronischen und optischen Geräten. Um das Wissen über Sputtern Materialien und wegen der tiefgreifenden Bedeutung in der modernen Elektronik zu erhöhen, wählen wir GaAs (100) als Zielgröße. Unter den gesputterten Atome und Ionen haben klein Clusterionen mit mehr als 6 Kohlenstoffatomen sind identifiziert worden. GaAs ist ein hetero Halbleiter enthalten Gallium und Arsen im gleichen Verhältnis. Eine bevorrechtigte Phänomen der "reichlich Sputtern" von Gallium im Vergleich zu wenig Arsen (GaAs) hat sich von ihrer Masse Intensität untersucht. Die experimentellen Ionenzählungen werden mit theoretisch vorhergesagten relativen Häufigkeit verglichen. Dieses Phänomen der Präferenz Sputtern für die Atomarten gesputtert GaAs, aber nicht für die gesputterten Clusterionen bekannt. Die Hauptgründe für diese reichlich Sputtern von einem Element mit dem Unterschied in der Ionenbildung Energien zurückzuführen und oberflächenzusammensetzungsänderung während des Sputter-Prozesses statt.

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Metadaten
Author: Angelin Ebanezar John
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002073-6
Title Additional (English):Negative Ion formation in Ion-Molecule and Ion-Surface collisions
Title Additional (German):Negativ-Ionen-Bildung in Ion-Molekül und Ion-Oberflächen Kollisionen
Advisor:Prof. Dr. Rainer Hippler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2014/11/18
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2014/11/14
Release Date:2014/11/18
Tag:GaAs sputtering, Negative ion, energetic ion, ion accelerator, superoxide anion
GND Keyword:GaAs sputtering, Negative ion, energetic ion, ion accelerator, superoxide anion
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:20.00.00 NUCLEAR PHYSICS / 29.00.00 Experimental methods and instrumentation for elementary-particle and nuclear physics / 29.20.-c Accelerators (for accelerators used in medical applications, see 87.56.bd) / 29.20.Ej Linear accelerators
30.00.00 ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS / 34.00.00 Atomic and molecular collision processes and interactions (for atomic, molecular, and ionic collisions in plasma, see 52.20.Hv; for atoms and molecules of astrophysical interest, see 95.30.Dr, Ft; see also 98.38.Bn and 98.58.Bz in interstellar media in as / 34.35.+a Interactions of atoms and molecules with surfaces
30.00.00 ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS / 34.00.00 Atomic and molecular collision processes and interactions (for atomic, molecular, and ionic collisions in plasma, see 52.20.Hv; for atoms and molecules of astrophysical interest, see 95.30.Dr, Ft; see also 98.38.Bn and 98.58.Bz in interstellar media in as / 34.50.-s Scattering of atoms and molecules
90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 94.00.00 Physics of the ionosphere and magnetosphere / 94.20.-y Physics of the ionosphere (for ionospheres of the planets, see 96.12.ji and 96.15.hk in Geophysics Appendix; for radiowave propagation, see 41.20.Jb-in electromagnetism)