Hochgeladene Ionen schmelzen Nano-Goldnuggets

Normalerweise müssen wir uns in der Physik entscheiden: Entweder beschäftigen wir uns mit großen Dingen – etwa einer Metallplatte und ihren Materialeigenschaften – oder mit winzigen Dingen – etwa einzelnen Atomen. Aber es gibt auch eine Welt dazwischen: Die Welt der kleinen, aber noch nicht winzigen Dinge, in der sowohl Effekte der makroskopischen Welt als auch Effekte der mikroskopischen Welt eine Rolle spielen.

In dieser komplizierten Zwischenwelt sind die an der TU Wien durchgeführten Experimente angesiedelt: Extrem kleine Goldstücke, bestehend aus wenigen tausend Atomen und einem Durchmesser in der Größenordnung von zehn Nanometern, werden mit hochgeladenen Ionen beschossen. Dadurch ist es möglich, Form und Größe dieser Goldstücke gezielt zu verändern. Die Ergebnisse zeigen: Was dabei passiert, kann man sich nicht einfach wie den Aufprall eines Golfballs in einem Sandbunker vorstellen – das Zusammenspiel von Ion und Goldstück ist viel subtiler.

Durch Ionenbeschuss übertragene Energie

„Wir arbeiten mit mehrfach ionisierten Xenon-Atomen. Diesen Atomen werden bis zu 40 Elektronen entzogen, sie sind also elektrisch hoch aufgeladen“, sagt Prof. Richard Wilhelm vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. Diese hochgeladenen Ionen treffen dann auf kleine Goldinseln, die auf einem isolierenden Substrat platziert sind – und dann können verschiedene Dinge passieren: Die Goldinseln können flacher werden, sie können schmelzen, sie können sogar verdampfen.

„Je nachdem, wie hoch unsere Ionen elektrisch geladen sind, können wir unterschiedliche Effekte auslösen“, sagt Gabriel Szabo, Erstautor der aktuellen Studie, der derzeit im Team von Richard Wilhelm an seiner Dissertation arbeitet.

Die hochgeladenen Ionen treffen mit erhöhter Geschwindigkeit – mit rund 500 Kilometern pro Sekunde – auf die winzigen Goldnuggets. Trotzdem ist es bemerkenswerterweise nicht die Wucht des Aufpralls, die die Goldinseln verändert. Der Vorgang ist völlig anders als der Aufprall eines Golfballs in einem Sandhaufen oder der zufällige Aufprall eines Tennisballs in einer hübsch dekorierten Geburtstagstorte.

„Schießt man ungeladene Xenon-Atome mit der gleichen kinetischen Energie auf die Goldinseln, bleiben die Goldinseln praktisch unverändert“, sagt Gabriel Szabo. „Entscheidend ist also nicht die kinetische Energie, sondern die elektrische Ladung der Ionen. Auch diese Ladung trägt Energie und lagert sich genau am Aufprallpunkt ab.“

Änderungen in der elektronischen Struktur

Sobald die extrem stark positiv geladenen Ionen auf das Nanogoldstück treffen, entreißen sie dem Gold Elektronen. Bei einem großen Stück Gold hätte dies keine nennenswerten Auswirkungen: Gold ist ein hervorragender Leiter, die Elektronen können sich frei bewegen und aus anderen Bereichen des Goldnuggets würden mehr Elektronen nachgeliefert.

Doch die Nano-Gold-Strukturen sind so klein, dass sie nicht mehr als unerschöpfliches Elektronenreservoir angesehen werden können. Genau hier betritt man die Zwischenwelt zwischen makroskopischem Metall und winzigen Atomclustern und ihren nanoskaligen Eigenschaften.

„Die Ladungsenergie des auftreffenden Ions wird auf das Gold übertragen, dadurch gerät die elektronische Struktur des gesamten Nano-Gold-Objekts völlig aus dem Gleichgewicht, die Atome geraten in Bewegung und die Kristallstruktur des Goldes wird zerstört“, erklärt Richard Wilhelm. „Je nachdem, wie viel Energie man deponiert, kann es sogar passieren, dass das ganze Nano-Goldstück schmilzt oder verdampft.“

Die Auswirkungen des Ionenbeschusses lassen sich dann im Rasterkraftmikroskop untersuchen: Je nach Ladung der Ionen verringert sich die Höhe der Goldstücke mehr oder weniger, berichtet Gabriel Szabo: „So wie es unsere Modelle auch hatten vorhergesagt, können wir den Aufprall der Ionen auf das Gold kontrollieren – und zwar nicht durch die Geschwindigkeit, die wir unseren Projektilen geben, sondern durch ihre Ladung.“

Eine verbesserte Kontrolle und ein tieferes Verständnis solcher Prozesse ist wichtig für die Herstellung einer Vielzahl von Nanostrukturen. „Das ist eine Technik, mit der man die Geometrie besonders kleiner Strukturen gezielt bearbeiten kann. Das ist für die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente genauso interessant wie für sogenannte Quantenpunkte – winzige Strukturen, die ganz bestimmte maßgeschneiderte elektronische oder optische Effekte ermöglichen.“ aufgrund ihrer quantenphysikalischen Eigenschaften“, sagt Richard Wilhelm.

Und es ist ein weiterer Einblick in die Welt der kleinen, aber noch nicht winzigen Dinge – in die facettenreiche Zwischenwelt zwischen Quantenphysik und Festkörperphysik, die nur zu verstehen ist, wenn man gleichzeitig Quanten- und Vielteilchenphänomene im Blick hat.

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Klein.