IBC – Europas führendes Ionenstrahlzentrum

Welche Eigenschaften besitzt ein Werkstoff auf mikroskopischer Ebene? Aus welchen chemischen Elementen setzt er sich zusammen? Und wie lässt sich ein Material für eine bestimmte Anwendung passgenau verändern? Viele dieser Werkstoff-Fragen lassen sich mithilfe von Ionenstrahlen beantworten, wie sie das „Ion Beam Center“ am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf bereitstellt.

In einem Laborraum sind mehrere, lange Metallrohre auf Ständern montiert. Sie verlaufen von rechts nach links und treffen in einem Kasten aufeinander.
Ionen-Implanter am HZDR

Ionen sind geladene Atome oder Moleküle. Mit elektromagnetischen Feldern lassen sie sich gezielt beschleunigen und zu Strahlen bündeln. Diese Ionenstrahlen stellen heute ein wichtiges Werkzeug für die Erforschung und Entwicklung neuer Materialien dar. Mit dem „Ion Beam Center“ (IBC) betreibt das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) eine der weltweit leistungsfähigsten Ionenquellen ihrer Art. Forschende aus aller Welt können hier vielversprechende Werkstoffe untersuchen oder gezielt verändern. Industrieunternehmen wiederum nutzen die Ionenstrahlen zum Beispiel, um neuartige Bauelemente für die Sensorik und Elektronik zu entwickeln.

Das IBC stellt Ionen der unterschiedlichsten Art zur Verfügung: Die Energien der Teilchen reichen von einigen Elektronenvolt bis zu knapp 100 Megaelektronenvolt und decken damit das gesamte Spektrum ab, das für die Materialforschung relevant ist. Zudem ermöglicht das Ionenstrahlzentrum Experimente mit nahezu allen Atomsorten – von den leichtesten bis zu den schwersten Ionen.

Materialien untersuchen und verändern

Grundsätzlich erlauben die Anlagen am Ionenstrahlzentrum zwei Arten von Experimenten: Materialanalyse und Materialmodifikation. Das Spektrum der am IBC untersuchten und behandelten Werkstoffe ist breit. Im Fokus stehen drei Materialklassen:

  • Halbleitermaterialien, relevant für die Elektronik- und die Computerbranche,
  • dünne Schichten etwa aus magnetischen Metallen, aber auch Schichtsysteme für Photovoltaik und Wärmesensoren,
  • optische Materialien, unter anderem transparente, leitfähige Oxide, wie man sie für Bildschirme braucht.
Ein Forscher mit Schutzanzug und Handschuhen bedient ein metallisches Gerät, an dem sich mehrere Luken und Griffe befinden.
Prozesskammer der Hochenergie-Ionenimplantation

Bei der Materialanalyse lässt sich mithilfe von Ionen erkunden, welche Eigenschaften ein Werkstoff auf mikroskopischen Größenskalen besitzt. Die Forscherinnen und Forscher können so ermitteln, aus welchen chemischen Elementen er sich zusammensetzt und welche Eigenschaften sein Kristallgefüge kennzeichnen.

Dabei können die Nutzerinnen und Nutzer auf modernste Methoden und vielfältige Verfahren zurückgreifen. Detektoren erfassen die von einer Probe rückgestreuten Ionen sowie die aus dem Festkörper herausgeschlagenen Atome und geben dadurch Auskunft über bestimmte Eigenschaften der Proben. Eingeschossene Ionen wiederum regen in Materialien das Aussenden elektromagnetischer Strahlung an. Die charakteristische Röntgenstrahlung der Atomhülle und auch die Gammastrahlung angeregter Atomkerne verraten, wie die Elemente in einer Probe verteilt sind und in welchen Konzentrationen sie vorliegen.

Die Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) ist eine hochempfindliche Methode zum Aufspüren von Spurenelementen. In geologischen Proben etwa können Radionuklide detaillierte Informationen über erdgeschichtliche Entwicklungen preisgeben und hochpräzise Datierungen ermöglichen. Außerdem kann die Analyse bestimmter Spurenelemente Auskünfte über Art und Qualität einer Lagerstätte liefern.

Bei der Materialmodifikation dienen die Ionen als ein universelles Werkzeug, das Werkstoffe verändern und in ihren Eigenschaften maßschneidern kann. So lassen sich Oberflächen gezielt polieren oder aufrauen. Extrem feine Ionenstrahlen können komplexe Nanostrukturen wie Quantenpunkte oder feinste Rippelstrukturen ein- und aufprägen. Letztere können als Grundlage für hauchfeine Schichten oder eindimensionale Atomketten fungieren.

Eine wellige Matte aus glatten, dicht an dicht gepackten Kugeln symbolisiert die Atome einer Materialoberfläche. Von links und von oben prasseln etliche Ionen, dargestellt durch zwei andere Kugelsorten, auf eine bestimmte Stelle dieser Matte.
Wechselwirkung eines Ionenstrahls mit einer Festkörperoberfläche

Ionen dienen auch zur Dotierung von Werkstoffen, um ihre chemischen, elektrischen und optischen Eigenschaften zu verändern. Die Präzision ist einzigartig: Die Ionen lassen sich nanometergenau an bestimmten Stellen im Kristall einsetzen, ihre Konzentration lässt sich mit einer Genauigkeit von weniger als zwei Prozent einstellen. Indem man etwa Halbleiter präzise mit Ionen „spickt“, lassen sich elektronische Bauteile schaffen, die mit anderen, chemischen Verfahren nicht zu realisieren sind. Die Ionen dienen außerdem dazu, gezielt Defekte in einen Kristall einzubringen, etwa indem man durch das Herausschlagen eines Atoms eine Fehlstelle erzeugt. In der Leistungselektronik werden solche Defekte eingesetzt, um Schaltfrequenzen zu erhöhen und die Energieeffizienz von Bauteilen zu steigern.

Dabei arbeitet das IBC anwendungsnah und unterstützt Firmen und Unternehmen bei der Nutzung moderner Ionenstrahltechnologien für innovative Produkte.

Teilchen beschleunigen und einpflanzen

Das Ionenstrahlzentrum verfügt über eine Vielzahl von Anlagen, die sich auf drei Gebäude verteilen. Den obersten Energiebereich zwischen 100 Kiloelektronenvolt und 100 Megaelektronenvolt decken drei elektrostatische Beschleuniger ab. Mit einer Hochspannung von bis zu sechs Millionen Volt bringen sie verschiedenste Ionen auf die gewünschte Energie – von Leichtgewichten wie Wasserstoff oder Helium bis hin zu schweren Elementen wie Gold oder Blei. Auf Wunsch lassen sich die Ionen eines Elementes auch hinsichtlich verschiedener Isotope trennen.

Von zwei senkrechten Linien gehen jeweils nach oben, unten, links und rechts quadratische Plättchen ab. Fadenartige Strukturen durchziehen den körnigen Hintergrund.
Leitfähige Nano-Drähte mit diamantähnlichen Eigenschaften

Weitere Bestandteile des IBC-Anlagenparks sind drei sogenannte Ionen-Implanter. Mit ihnen lassen sich die unterschiedlichsten Atomsorten in einen Werkstoff „einpflanzen“. Die drei Implanter decken einen Energiebereich zwischen einem Kiloelektronenvolt und einem Megaelektronenvolt ab.

Ferner umfasst das Ionenstrahlzentrum diverse Einzelanlagen, die im unteren Energiebereich zwischen einigen Elektronenvolt und 30 Kiloelektronenvolt agieren – darunter solche, mit denen dreidimensionale Werkstücke behandelt werden können.

Ein anderes Beispiel aus dieser Anlagengruppe ist ein sogenanntes Ionenmikroskop. Vom Prinzip her funktioniert es ähnlich wie ein Rasterelektronenmikroskop, verwendet allerdings keine Elektronen, sondern Helium- bzw. Neon-Ionen. Das bringt mehrere Vorteile mit sich: Da sich Ionen bestens bündeln lassen, bietet das Verfahren eine Auflösung unterhalb von einem Nanometer und gleichzeitig eine hohe Tiefenschärfe von bis zu 100 Mikrometern. So kann das Gerät Strahlen aus Helium-Ionen bis auf 0,4 Nanometer bündeln und entsprechend feine Nanostrukturen auf einer Oberfläche beeinflussen oder sogar erschaffen.

Wissenschaftliche Highlights

Mit den Möglichkeiten am IBC sind bereits zahlreiche Entdeckungen gelungen. So untersuchte ein Forschungsteam aus Dresden und Wien, wie sich hochgeladene Ionen verhalten, die man durch eine ultradünne Membran schießt. Das überraschende Resultat: Manche der Teilchen verlieren erstaunlich viel, andere dagegen fast gar keine Energie – eine Erkenntnis, die bei der Herstellung elektronischer Bauteile aus dem noch jungen Kohlenstoff-Material Graphen helfen könnte.

Eine Gruppe aus Lublin, Dresden und Wien konnte am IBC mittels Ionenstrahlsynthese winzige Kristalle aus dem Halbleiter Indiumarsenid in einen dünnen Siliziumdraht einbetten – ein vielversprechendes Materialsystem für superschnelle Elektronikkomponenten.

Eine liegende, viereckige Platte ist der Länge nach in drei Zonen aufgeteilt: Links zeigen vier parallele Reihen von Pfeilen zum Betrachter hin, in der rechten Zone zeigen vier parallele Reihen von Pfeilen vom Betrachter weg. Dazwischen befindet sich ein schmales Band, in dem die Pfeile senkrecht dazu in Form einer Welle ausgerichtet sind.
Kontrollierte Ausbreitung von Spinwellen

Ein Team aus mehreren Dresdner Instituten hat mit einem stark gebündelten Ionenstrahl nanometerkleine Strukturen in eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht eingraviert – mit dem Effekt, dass die Strukturen elektrisch leitfähig wurden. Das macht diamantähnliche Schichten, die bisher vor allem zur Verschleißminderung an beweglichen Bauteilen eingesetzt werden, auch für die Mikroelektronik interessant. Und eine deutsch-chinesische Gruppe hat gezeigt, wie man per „Ionendusche“ winzige Nanodünen auf der Oberfläche eines Halbleiterkristalls erzeugt. Der Clou: Die Nanostrukturen haben sich dabei wie von selbst organisiert. Die neue Methode könnte somit die Herstellung von Halbleiter-Elementen beschleunigen und deren Kosten senken.

Bemerkenswertes gelang vor einiger Zeit auch einem internationalen Team unter der Leitung der Australian National University: Den Forschenden glückte der Nachweis, dass im Laufe der letzten zehn Millionen Jahre gleich mehrere Supernova-Ereignisse ihre Spuren auf der Erde hinterlassen haben. Die Gruppe nutzte unter anderem ein Labor am IBC, um bestimmte radioaktive Isotope aus irdischen Proben zu extrahieren und nachzuweisen. Die Arbeiten am HZDR haben maßgeblich zur Altersbestimmung der Proben beigetragen, die vom Meeresgrund der Tiefsee stammen.

Andere Expertinnen und Experten im IBC arbeiten daran, neue Schichten oder Materialien für die Solarthermie oder die Wasserstoffspeicherung zu finden, energieeffizientere Datenspeicher zu realisieren oder stromsparende Transistoren zu entwickeln, die lediglich mit einem einzigen Elektron funktionieren.

Finanzierung und Bedeutung für Deutschland

Umfassende Anlagen für Ionentechniken gibt es in Deutschland nur im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Die beiden Einrichtungen ergänzen sich dabei in idealer Weise. Der Fokus des IBC liegt vorwiegend auf dem Gebiet der anwendungsorientierten Materialforschung sowie auf den Bereichen Geologie, Kosmologie, Umwelt- oder Klimaforschung. Bei der GSI stehen Fragestellungen der Elementar-, Teilchen- und Plasmaphysik im Mittelpunkt, die Anlagen mit sehr hohen Ionenenergien benötigen.

Eine geräumige Beschleunigerhalle am HZDR, in der auf Schränken mehrere zylindrische Röhren montiert sind.
Elektrostatischer Ionenbeschleuniger am HZDR

Die jährlichen Betriebskosten tragen der Bund und der Freistaat Sachsen im Verhältnis von 90 zu 10 Prozent gemeinsam. Insgesamt bietet das IBC 25 Messplätze an, von denen rund zehn simultan betrieben werden können. Im Schnitt arbeiten pro Jahr etwa 350 Gäste in der Anlage in Dresden-Rossendorf. Rund 20 Prozent der Nutzerinnen und Nutzer kommen aus der Helmholtz-Gemeinschaft. Etwa 60 Prozent stammen von Universitäten sowie anderen Forschungseinrichtungen. Im Rahmen der Verbundforschung fördert das Bundesforschungsministerium derzeit mit über 1,6 Millionen Euro (Förderzeitraum 2013 bis 2019) Projekte deutscher Universitäten am IBC.

Besonders bemerkenswert: Bis zu 20 Prozent der Nutzerinnen und Nutzer kommen aus der Industrie – ein hervorragender Wert. Die Unternehmen, davon zwei Drittel aus Deutschland, nutzen das IBC nicht nur für ihre Forschung und Entwicklung, sondern auch für die Produktion. Leistungselektronik-Hersteller dotieren ihre Bauelemente mit Ionenstrahlen, Optoelektronik-Unternehmen fertigen damit ihre CCD-Sensoren.

Andere Firmen verwenden die schnellen Ionen für die Oberflächenbehandlung, etwa um poröse Oberflächen für die Biotechnologie zu realisieren oder um – wie im Fall der HZDR-Ausgründung „i3 Membrane“ – metallische Nanomembranen für die Wasseraufbereitung zu fertigen. Als Ansprechpartner für Industriepartner fungiert in der Regel die „HZDR Innovation GmbH“. Sie kümmert sich um Organisation und Abwicklung von Industrieaufträgen.

Steckbrief Ionenstrahlzentrum IBC

Typ:

Ionenbeschleuniger

Technologien:

Elektrostatische Beschleuniger, Ionenimplanter, Plasma-Ionenimplanter, Ionenmikroskop

Sondertechniken:

Fokussierte Ionen, Hochgeladene Ionen

Standort:

Dresden

Betreiber:

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Inbetriebnahme:

1995 (als Ionenstrahlzentrum)

Anlagen:

8 (im Simultanbetrieb)

Experimentierplätze:

25

Ionensorten:

Stabile Isotope aller chemischen Elemente

Ionenenergien:

10 Elektronenvolt bis 100 Megaelektronenvolt

Strahlströme:

1 Pikoampere bis 100 Mikroampere

Strahlfokus:

Nanometer bis Millimeter (anlagenabhängig)

Pulslängen:

Mikrosekunden bis Dauerstrich

Hauptanwendungen:

Materialforschung, Interdisziplinäre Forschung, Industrielle Anwendungen