De ionenbron (ion gun)

Een veel gebruikt instrument in onderzoek op het gebied van nanotechnologie en vastestoffysica is de ionenbron. Hij wordt niet alleen gebruikt voor het schoonmaken van oppervlaktes, maar ook voor het creeeren van nanostructuren. Maar wat is een ionenbron nou precies? En hoe werkt hij?

De werking

Met een ionenbron kan een mooi homogene bundel met specifieke eigenschappen gemaakt worden. In onderzoek wordt er vaak een edelgas gebruikt, aangezien men vaak gebruikt maakt van de kinetische interactie van de bundel en de omgeving en wil uitsluiten dat er ook een chemische reactie plaats vindt. Het meest gebruikte gas is argon, aangezien dit een edelgas is (inert) en het ook nog relatief goedkoop is. Andere veel gebruikte gassen binnen onderzoek zijn krypton en xenon.

In de kamer waar het gas binnenkomt wordt het ten eerste geioniseert. Hoe dit gebeurt, is afhankelijk van het type bron dat gebruikt wordt (zie volgende paragraaf). Voor de uitgang van de kamer zitten een aantal metalen roosters, op een kleine afstand van elkaar. Op het eerste rooster wordt een hoge potentiaal aangebracht, met dezelfde lading als de ionen. Het tweede rooster ligt aan de aarde. Door dit veld worden de ionen die het rooster passeren, versneld met een bepaalde energie. Deze energie is in te stellen en varieert vaak van 200 tot 2000 volt, resulterend in een ionen energie van 200 tot 2000 elektron volt. Sommige bronnen hebben ook nog een derde rooster, die een negatieve potentiaal heeft, zodat er meer ionen uit de kamer 'getrokken' kunnen worden.

Na de roosters zitten vaak nog een aantal zogenaamde lens elementen. Dit zijn metalen ringen waar ook een potentiaal op gezet kan worden. Hiermee kan de bundel convergent of juist divergent gemaakt worden, afhankelijk van het teken van de aangelegde potentiaal. In uitzonderlijke gevallen worden er ook nog combinaties van platen (in plaats van ringen) gebruikt, om de vorm van de bundel aan te passen. Meestal is dit niet noodzakelijk, omdat de roosters symmetrisch zijn, waardoor de bundel doorgaans ook symmetrisch is.

Verschillende types

De meeste ionenbronnen werken volgens bovenstaand principe. De manier van ioniseren verschilt echter. De twee meest voorkomende types zijn de plasmabron en de Kaufman type bron. In de plasma gun wordt het gas in een kleine kamer ingelaten en door middel van microgolven (magnetron straling) geioniseerd. Aangezien het plasma heet is, wordt deze met magneten op zijn plaats gehouden, zodat er geen onderdelen verbranden.

In de Kaufman type bron wordt er ook gas in een kamer ingeladen, maar in dit type gebeurd de ionisatie door middel van een filamentje met een soort van kooi erom heen. Op beide wordt er een spanning gezet. Gas atomen zullen zich willekeurig rondbewegen in de kamer, totdat 'per ongeluk' het filamentje wordt geraakt en ze door de potentiaal geioniseerd worden. Vervolgens wordt het kooitje gebruikt om de ionen naar buiten toe te laten bewegen.

Doorgaans kan de plasmabron een veel intensere bundel produceren dan een Kaufman type bron, maar is hij wel duurder om te maken. Ook is het bij een plasmabron mogelijk om reactieve gassen te gebruiken, aangezien er geen filament aanwezig is dat kan doorbranden.

Toepassingen

Een ionenbron kan voor vele toepassingen gebruikt worden. De meest gebruikte toepassing is het schoonmaken van samples voor wetenschappelijk onderzoek. Door de ionen bundel op een sample te schijnen, wordt er materiaal van het oppervlak af gehaald. Vervuiling zit doorgaans enkel in de toplaag, dus op deze manier wordt de onderliggende, schone laag bloot gelegd. Door de temperatuur van het sample na het eroderen flink te verhogen, zullen de gaten die ontstaan door diffusie weer opgevuld worden en het resultaat is een schoon, vlak oppervlak.

Een andere toepassing is het gebruik van een ionen bundel om nanopatronen te maken. Ook voor deze toepassing wordt de bundel op een oppervlak gericht en er materiaal weg gehaald. Echter, bij deze toepassing wordt de sample temperatuur zo gekozen, dat er een evenwicht ontstaat tussen de erosie en de diffusie op het oppervlak. Verschillende geordende patronen kunnen in deze situatie ontstaan door zelf organisatie. Afhankelijk van de hoek van inval van de ionenbron, zijn dit meestal streep of dot patronen.