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

HZDR/Oliver Killig

Ein Forscher mit Schutzanzug und Handschuhen bedient ein metallisches Gerät, an dem sich mehrere Luken und Griffe befinden.

HZDR

Eine Wissenschaftlerin sitzt in einem abgeschlossenen Raum vor einem Mikroskop und schaut hinein, die Szenerie ist in gelbes Licht getaucht, da sie durch eine gelbe Schutzfolie fotografiert wurde

HZDR/Detlev Müller

IBC – Materialien mit ultraschnellen Ionen bearbeiten

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? Das sind Fragen, auf die das „Ion Beam Center“ am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf Antworten findet – mit hochpräzisen Ionenstrahlen.

  • Ort:
    Dresden

  • Anzahl WissenschaftlerInnen:
    480 pro Jahr

  • Beteiligte Länder:
    Deutschland (Bund / Freistaat Sachsen)

  • Ziel:
    Materialoberflächen untersuchen und verändern

  • Anwendungsbeispiel:
    Entwicklung energieeffizienter Datenspeicher

  • Gerätetyp:
    Ionenbeschleuniger und -implanter

  • Messmethode:
    Analyse mit Ionenstrahlen

  • Untersuchungsobjekt:
    Festkörper

  • Bauphase:
    1980er Jahre

  • Rechtsform & beteiligte Institutionen:
    Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

  • Größe:
    40 Experimentierplätze in mehreren Laboren

  • Experimentdetails:
    Ionenenergie: bis zu 100 Megaelektronenvolt

Welche Erkenntnisse das IBC liefert

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

Ein wahres Multitool in der Materialforschung ist das IBC – das Ionenstrahlzentrum des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf HZDR. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler führen dort Experimente aus ganz verschiedenen Disziplinen durch: Geologie, Kosmologie, Umwelt- und Klimaforschung. Neue Materialien entwickeln und analysieren, bekannte Materialien verändern und ihnen neue Funktionen geben – diese Ziele stehen im Vordergrund, wenn Forschende die Ionenstrahlen am IBC verwenden. Damit ist es ein wichtiges Werkzeug für die Elektronik der Zukunft, neue effizientere Solarzellen und innovative optische Materialien für flache Bildschirme.

Wie das IBC funktioniert

Alles am IBC dreht sich um Atome, denen ein oder mehrere Elektronen fehlen. Infolgedessen sind sie positiv geladen, man spricht von Ionen. Mithilfe der Instrumente am Ionenstrahlzentrum beschleunigen und bündeln die Forschenden diese Ionen zu einem sogenannten Ionenstrahl. Einen solchen Ionenstrahl können sie aus einer Vielzahl von Elementen herstellen. Vom leichten Helium bis zum fünfzigmal schwereren Gold oder Blei verwenden sie die verschiedensten Atome für ihre Experimente.

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

Elektrostatischer Ionenbeschleuniger am HZDR

Trifft ein Ionenstrahl auf eine Oberfläche, kann er verursachen, dass dort Röntgenstrahlung heraustritt. Betrachtet man diese Strahlung, so lässt sich herausfinden, welche Atome die Oberfläche spicken. Doch um Oberflächen nicht nur zu analysieren, sondern auch gezielt zu verändern, sind Ionen ein geeignetes Werkzeug. Sie polieren Oberflächen oder rauen an exakt definierten Stellen auf. Oder sie lassen sich implantieren. Dabei verändern Ionen die Eigenschaften des Materials. Sie machen es zum Beispiel an bestimmten Stellen leitfähig oder reflektieren bestimmte Farben. Dadurch ermöglicht das IBC den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, multifunktionale und innovative Bauteile zu entwickeln.

Wer am IBC beteiligt ist

Zwei Wissenschaftler stehen an einem silberfarbenen, geöffneten Zylinder; eine von ihnen schaut auf die Unterseite des gehobenen Deckels, an dem ein drahtiges Gestell befestigt ist

Ionenimplantation

Das Ionenstrahlzentrum gehört zum Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Damit ist es Teil der Helmholtz-Gemeinschaft deutscher Forschungszentren und eng mit einer Vielzahl an Forscherinnen und Forschern vernetzt. Jedes Jahr nutzen 480 Gäste die Anlage für ihre Forschung und Entwicklung. Davon kommt rund die Hälfte von deutschen Hochschulen und zwanzig Prozent aus der Industrie. Von 2013 bis 2019 investierte das Bundesforschungsministerium insgesamt über 1,6 Millionen Euro in Forschungen deutscher Hochschulgruppen an dem Dresdener Zentrum.

Besonders bemerkenswert: Ein Viertel der Nutzerinnen und Nutzer kommt aus der Industrie. Sie nutzen das IBC, um anwendungsnah Materialien weiterzuentwickeln. Zum Beispiel dotieren Elektronikunternehmen ihre Bauteile, um maßgeschneiderte Halbleitermaterialien herzustellen oder Kamerasensoren zu fertigen.

Was gerade am IBC passiert

Ein Mann hält einen kleinen, goldenen kugelförmigen Gegenstand in einer behandschuhten Hand

Implantat

Das Ionenstrahlzentrum bietet zuverlässig Ionenstrahlen aus fast allen stabilen Elementen. Die Energie der Ionenstrahlen können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus einer Bandbreite von sieben Größenordnungen einstellen. Über 14 000 Stunden pro Jahr stehen die Ionenstrahlen den Forschenden an circa vierzig Experimentierstationen zur Verfügung. Damit zieht das IBC eine Vielzahl an Nutzerinnen und Nutzern aus Industrie und Wissenschaft an. Ebenso vielfältig wie die Nutzerschaft sind auch die Resultate, die aus den Experimenten hervorkommen – zum Beispiel für die Mikroelektronik.

Dünne Graphenschichten mit Ionen beschießen, winzige Indiumarsenid-Kristalle herstellen und Diamanten nanometergenau gravieren – all dies sind Erfolge, die zeigen, welches Potenzial in der Forschung am IBC steckt.


Stand: Januar 2019

Quelle: https://fis-landschaft.de/materie/ibc/