Das Ziel dieser Arbeit war, die durch Atom– und Clusterionen in d¨unnen Schich-ten induzierte Lumineszenz zu untersuchen. Es wurden verschieden pr¨aparierte Proben mit Schichtdicken von 50 nm bis ca. 3 µm und Ionen mit Anfangsenergien im MeV–Bereich verwendet, d.h. die Ionen treten durch die Proben hindurch, so daß die Lumineszenz pro Wegstrecke direkt bestimmt werden konnte. Dazu wurde das Meßprinzip des ’single ion hitting single photon counting’ eingesetzt.
Die Diskussion der in dieser Arbeit gewonnenen Meßdaten wurde unterst¨utzt durch Modellierungen, die den mikroskopischen Blick ins Innere der Probe we-sentlich erleichterten.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Lumineszenz–Experimente wurden gr¨oßten-teils in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. H. Voit am Tandem–
Beschleuniger der Universit¨at Erlangen–N¨urnberg durchgef¨uhrt. Mit diesem Beschleuniger k¨onnen sowohl Atom– als auch Clusterionen auf MeV–Energien beschleunigt werden. Die Untersuchungen zur spektralen und zeitlichen Charakte-risierung der ioneninduzierten Lumineszenz wurden haupts¨achlich mit Cf–Spalt-fragmenten an einem PD–Massenspektrometer in Oldenburg durchgef¨uhrt. Die mit atomaren Ionen erhaltenen experimentellen Ergebnisse werden wie folgt zusammengefaßt:
• Die spektrale und zeitliche Charakterisierung der bei Beschuß mit MeV–
Ionen entstehenden Lumineszenz zeigte, daß sie von intakten Molek¨ulen aus der Probe stammt. Diese optisch–spektroskopischen Untersuchungen wurden mit POPOP und Coronen durchgef¨uhrt.
• Proben mit gespraytem POPOP oder aufgedampftem CsI und Schichtdicken bis zu 4 µm zeigten eine lineare Abh¨angigkeit der Lumineszenz–Ausbeute von der Probendicke. Die mit POPOP/Formvar–Folien bis zu ca. 1 µm gemessenen Lumineszenz–Ausbeuten steigen auch linear mit der Folien-dicke. Es ergibt sich jedoch keine Ursprungsgerade.
• Werden verschiedene Prim¨arionen mit gleicher Anfangsgeschwindigkeit verwendet, so ist die Lumineszenz–Ausbeute proportional zum spezifischen elektronischen Energieverlust (dE/dx)eder Ionen im Material.
• Wird die Geschwindigkeit der Prim¨arionen variiert, so ist die Lumineszenz–
Ausbeute nicht proportional zum gemessenen Energieverlust und es werden je nach Probenmorphologie und Prim¨arion unterschiedliche Ergebnisse erhalten:
– Mit POPOP/Formvar–Folien steigt die Lumineszenz–Ausbeute im untersuchten Energiebereich kontinuierlich an (32S–Prim¨arionen) bzw.
geht in eine S¨attigung ¨uber (12C–Prim¨arionen).
– Mit aufgedampften POPOP– und Coronen–Proben steigt die Lumi-neszenz–Ausbeute zun¨achst ebenfalls an, f¨allt aber bei h¨oheren Ener-gien innerhalb weniger MeV wieder auf Werte, wie sie im unteren Energiebereich beobachtet werden. Mit einer CsI–Probe hingegen wurde ein nahezu konstanter Wert f¨ur die Photonenausbeute im h¨oheren Energiebereich beobachtet.
Als Ausgangspunkt f¨ur die Diskussion und Modellierung der in dieser Arbeit mit atomaren Ionen gewonnenen Meßdaten diente ein Modell zur Beschreibung der ioneninduzierten Lumineszenz aus der Literatur, das auf der Energiedeposition durch Sekund¨arelektronen basiert [15]. Die Ergebnisse dieser Modellrechnungen werden wie folgt zusammengefaßt:
• Die Annahme, daß in einem hochangeregten, inneren Zylinder um die Prim¨ar-ionenspur im Gegensatz zu [15] keine Photonen erzeugt werden, f¨uhrte zu errechneten Ergebnissen, die die Meßwerte besser beschreiben.
• Die bei konstanter Prim¨arionen–Geschwindigkeit gemessene Abh¨angigkeit der Lumineszenz–Ausbeute von der effektiven Ladung des anregenden Ions wird von diesem Modell sehr gut wiedergegeben.
• F¨ur Prim¨arionen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit reproduziert das Modell oberhalb von ca. 12·106m/s den Verlauf der gemessenen Lumi-neszenz–Ausbeute sehr gut.
• Unter Ber¨ucksichtigung der aus der Probenoberfl¨ache emittierten Elekt-ronen konnte der gemessene Verlauf der Photonenausbeute mit anwachsen-der Probendicke auch bei Schichtendicken<200 nm gut erkl¨art werden.
• Die Ber¨ucksichtigung struktureller Eigenschaften der Probe in einem modi-fizierten Modell erkl¨art den bei h¨oheren Geschwindigkeiten gemessenen Abfall der Lumineszenz–Ausbeute sehr gut.
Die Ergebnisse der Lumineszenz–Experimente mit MeV–Clusterionen werden wie folgt zusammengefaßt:
• Die Lumineszenz–Ausbeute steigt linear mit der Anzahl der Clusterbau-steine. Es ergibt sich keine Ursprungsgerade.
• Bei kleinen Schichtdicken (d < 200 nm) wurden mit C6–Clustern kaum mehr Photonen erhalten als mit atomarem Kohlenstoff.
• Bei einer Schichtdicke von 1100 nm liegt die mit C6–Clustern gemessene Lumineszenz–Ausbeute etwa um den Faktor 3 ¨uber der des atomaren Kohlenstoffs. Der Faktor ist signifikant gr¨oßer als im Bereich von Schicht-dicken<200 nm.
• Im Intervall von 635 nm bis 1100 nm ist die mit C6–Clustern gemessene Steigung der Photonenausbeute mit der Schichtdicke um den Faktor 4,5 gr¨oßer als mit atomarem Kohlenstoff.
Mit Hilfe eines Skalierungsmodells war es m¨oglich, die Lumineszenz–Ausbeute bei Clusterionen–Beschuß in Abh¨angigkeit von der Schichtdicke zu beschrei-ben. Eine wesentliche Aussage des Skalierungsmodells ist die Einteilung der vom Cluster durchdrungenen Schicht in drei Abschnitte:
• Im ersten Abschnitt befinden sich die Clusterbausteine in n¨achster Nach-barschaft. Die Wechselwirkungszonen der einzelnen Bausteine sind nicht voneinander zu trennen. Die in diesem Abschnitt erzeugte Lumineszenz–
Ausbeute ist der des monoatomaren Prim¨arions vergleichbar.
• In dem zweiten anschließenden Abschnitt trennen sich die Bereiche hoher Energiedichte der einzelnen Clusterbausteine voneinander und es werden zus¨atzlich Photonen zwischen den Ionenspuren erzeugt.
• Darauf folgt der dritte Abschnitt, in dem die Clusterbausteine keine gemein-same Wechselwirkungszone hinsichtlich der Erzeugung von Photonen mehr haben. Der Cluster ist hier vollst¨andig aufgebrochen und die separierten Bausteine durchqueren das weitere Material unabh¨angig voneinander.
Insgesamt sind die mit atomaren Ionen gewonnenen Erkenntnisse ein wesent-licher und notwendiger Ausgangspunkt f¨ur die Diskussion der mit Clusterionen erhaltenen Ergebnisse.