Transport von Ionen durch dTransport von Ionen durch düünne Filmenne FilmeThomas Thomas KollingKolling, Eva Unger, , Eva Unger, ShutaoShutao Sun, KarlSun, Karl--Michael Michael WeitzelWeitzel; ;

In Kooperation mit denIn Kooperation mit den AGAG‘‘ss J.H. WendorffJ.H. Wendorff**, A. Greiner, A. Greiner****;; FB Chemie, UniversitFB Chemie, Universitäät Marburgt Marburg

http://www.uni-marburg.de/fb15/ag-weitzel/

Methodik 2: Ionenquelle, IonenstrahlführungDie Untersuchung des Transports und der Streuprozesse von Cs+-Ionen an PPX-Membranen erfolgt innerhalb einer UHV Apparatur, wie sie in Abb.3a dargestellt ist. Hierbei herrschen Drücke im Bereich von p=10-7-10-8mbar. Die Cs+-Ionen werden thermisch mittels einer kommerziellen Alkaliionenquelle (Abb.3b) erzeugt und anschließend durch entsprechende Potentiale an Repeller, Extraktionslinse und Einzellinse zu einem kollimierten, kontinuierlichen Ionenstrahl mit Estoß= 0.1-300eV geformt. Nach Durchqueren einer feldfreien Driftstrecke und eines elektrostatischen Spiegels (Abb.3a) gelangen die Ionen in den Bereich der Streukammer (Abb.3c). Der Ionenstrahl wird durch eine weitere Einzellinse kollimiert und durch entsprechende Potentiale in einem nachfolgenden Linsensystem auf Stoßenergien Estoß= 0.3-3keV beschleunigt. Nach der WW mit der PPX-Membran gelangen die Streuprodukte nach einer weiteren feldfreien Driftstrecke (TOF) zu einem Mikrokanaldetektor (MCP), an welchem sie detektiert werden. Abb.3d zeigt eine schematische Darstellung der variabel einstellbaren Potentiale.

Abb. 3a: UHV Apparatur mit Ionenquelle und Ionenoptik zur Strahlführung sowie MCP Detektor für Einzelionennachweis

Experimentelle ErgebnisseUntersuchungen mit einem kontinuierlichen Cs+-Ionenstrahl bei unterschiedlicher Dicke der PPX-Folien, hier 112nm bzw. 2.8µm, variablen Stoßenergien und unter-schiedlichen retardierenden Potentialen am Flugrohr (TOF) sind in Abb.4a-c dargestellt. Für retardierende Potentiale von UTOF=+2500V werden im Bereich von Estoß=600-1000eV negative Ionen detek-tiert. Für UTOF=-2500V können im Bereich von Estoß=250-1000eV positive und trans-mittierte Cs+-Ionen beobachtet werden. Bei Stoßenergien Estoß>2160eV werden für UTOF=+2500V und UTOF=0V Sekundär-elektronen nachgewiesen. Dies wird durch Messungen mit einem senkrecht zur Strahlrichtung angeordneten Magnetfeld untermauert (Abb.4d). Ein Vergleich der Membrandicken (Abb.4c) zeigt für dünnere Membranen eine geringere Sekundär-elektronenerzeugung, größere Zählraten negativer Ionen und bei Estoß=500eV größere Zählraten von Cs+-Ionen.

Abb. 4a-d: (a-c) variable Estoß @ 112nm und 2.8µm PPX ; (d) e-

Detektion mit und ohne Magnetfeld

AEinleitungDer Transport von Ionen durch dünne Filme oder Membranen spielt in verschiedenen naturwissenschaftlichen Bereichen eine große Rolle:Chemie: Membrane als Transportsperre, Verhalten unter elektrischen Feldern mit Aufladungseffekten [1].Biologie: Signalübertragung durch Transfer von Alkali-Ionen durch Ionenkanäle in Membranen [2],[3].Physik: Nanometer dicke Schichten als Analysatoren für Ionen insbesondere unter ballistischem Transport [4].Ausgehend von Experimenten über die reaktive Streuung von NH3

+-Ionen an Poly-Para-Xylylen (PPX) beschichteten ITO-Oberflächen [5] und cyclo-voltametrischen Messungen über die Permeabilität von PPX-Filmengegenüber Fe2+-Ionen werden hier erste experimentelle Ergebnisse bzgl. Transport und Streuung von Cs+-Ionen an freistehenden PPX-Membranenvorgestellt. Die möglichen Wechselwirkungen sind in

Methodik 1: Erzeugung und Charakterisierung von PPX-FilmenDie Präparation der Membranen erfolgt mittels CVD-Verfahren, hier speziell durch die Variante des Gorham-Prozesses** (Abb.2a). REM-Untersuchungen an PPX-Filmen auf leitfähigen ITO-Oberflächen weisen erst ab einer Schichtdicke oberhalb von 1µm die für PPX erwarteten statischen Aufladungseffekte und isolierenden Eigenschaften auf. Abb.2b zeigt eine 400nm Schicht bei der Aufladungseffekte lediglich im Randbereich des Films zu beobachten sind. Bei direktem Kontakt zwischen PPX und ITO werden die auftreffenden e-

durch den Film transportiert und abgeleitet. AFM-Untersuchungen an einer freistehenden 1.2µm PPX-Membran weisen in den untersuchten Bereichen Rauhigkeiten von 43nm rms auf, jedoch keine Poro-sitäten (Abb.2c). Die Charakterisierung der Schicht-dicke erfolgt mittels eines DecTac-Profilometers*

(Abb.2d). Die Präparation von definierten Schicht-dicken kann durch den Einsatz von definierten Mengen an PPX im Beschichtungsprozeß sicher-gestellt werden (Abb.2e).

Abb.2a: CVD nach Gorham

Zeitkorrelierte Messungen des Transportes

Abb. 5a-c: (a-b) Flugzeitspektren für Δt=2µs und Δt=8µs @ 2.8µm PPX-Membran ; (c)

QMS-Spektrum der Ionenquelle

Zusammenfassung Wir haben die Präparation von freistehenden PPX-Membranenmittels CVD-Verfahren dargestellt. Im Weiteren wurden deren anschließende Charakterisierung an einem DecTac-Profilometer sowie SEM- und AFM-Aufnahmen gezeigt. Die PPX-Membranen wurden bzgl. ihrer Permeabilität und ihres reaktiven Streuverhaltens mit Cs+-Ionen variabler Stoßenergie und mit unterschiedlichen Dicken untersucht. Erste zeitkorrelierte Experimente mit gepulstem Ionenstrahl und varierter Pulsbreite wurden durchgeführt.AusblickEs ist der Aufbau einer verbesserten Ionenoptik zur Er-zeugung kürzerer Ionenpulse geplant. Neue reinere Alkali-ionenquellen werden zur Zeit getestet. Dies soll zu ver-besserten Flugzeitspektren führen um den Transport und die Reaktionsmechanismen genauer analysieren zu können. Das weitere Interesse richtet sich auf den Transport von Cs+-, K+-und Na+-Ionen durch PPX-Membranen unterschiedlicher Dicken. Experimente an 10nm dicken Karbonfolien und Arbeiten an biologischen Membranen sind geplant. Literatur[1] M. Sessler and H. von Seggern, in Charge Storage, Charge Transport and Electrostatics with their Application (Elsevier, 1979), pp. 103 – 107 [2] R. MacKinnon, Angew. Chem.; 116, 4363 (2004);[3] U. Koert; Phys. Chem. Chem. Phys.; 7, 1501 (2005);[4] D.J. McComas, F. Allegrini, C.J. Pollock, H.O. Funsten, S. Ritzau, G. Gloeckler; Rev. Sci. Inst.; 75, 4863 (2004);[5] T. Kolling, K.-M. Weitzel, ( to be published );[6] P. Hanefeld, F. Sittner, W. Ensinger, A. Greiner, e-Polymers 2006, no. 026, www.e-polymers.org;

Abb. 1: Wechselwirkungsprozesse von Cs+

Ionen mit einer PPX-Membran

Abb. 3d: Schematische Darstellung der variabel einstellbaren Potentiale

0 1000 2000 3000 4000 5000-1000

-500

0500

100015002000

250030003500

4000

Aus

lenk

ung

Dec

Tac

/ nm

Δ d = 625.2 nm

Bewegung entlang der Oberfläche

Einzel-Linse ppx-Membranzwischen zwei

NetzenTOF

MCP-Detektor

Einzel-Linse ppx-Membranzwischen zwei

NetzenTOF

MCP-Detektor

Cs-Ionen-Quelle

Repeller Extraktions Linse

L1 L2L3

Cs-Ionen-Quelle

Cs-Ionen-Quelle

Repeller Extraktions Linse

L1 L2L3

Cs Ionen Quelleelektrostatischer

Spiegel ppx-Membran MCPDetektor

Turbopumpen

Cs Ionen Quelleelektrostatischer

Spiegel ppx-Membran MCPDetektor

Turbopumpen

Abb.1 dargestellt. Der überwiegende Prozeß ist die Neutralisation der Cs+-Ionen an der Oberfläche und im Bulkmaterial. Hierbei können Sekundärelektronen in Vorwärtsrichtung gestreut werden [6]. Neben dem Transport von Cs+ durch Kanäle, Porositäten und der inelastischen Streuung am Material können auch negative Fragmente des PPX-Materials entstehen.

Abb.2b: REM 400nm PPX@ITO

Abb.2d: DecTac 625nm PPX

Abb.2e: Schichtdicke PPX-Filme

Abb. 3b: Ionenquelle

Abb. 3c: Streukammer mit Proben-

halterung und MCP Detektor

Zum Verständnis der Wechselwirkungen der Cs+-Ionen mit den PPX-Membranen bzgl. ihrer Transportphänomene und der auftretenden Streumechanismen sind zeitkorrelierteMessungen mit gepulsten Ionenstrahlen hilfreich. Hierzu wird der in Abb.3a dargestellte el. stat. Spiegel gegenüber der Achse des Ionenstrahls um α=45° gedreht. Mit einem Pulsgenerator bei ν=5kHz und variabler Pulsbreite wird eine Spannung zwischen USpiegel=+200V und 0V an der mittleren Linse des Spiegels geschaltet. Hierdurch können im Folgenden Flugzeitspektren gewonnen werden, wobei der Startpuls durch die ansteigende Flanke des Spiegelpulses und der Stoppulsdurch das an den MCP‘s detektierte Signal gegeben ist. Messungen für Pulsbreiten ∆t=2µs und ∆t=8µs sind in Abb.5a-b gezeigt. Es wurden hierbei Flugzeitspektren bei Stoßener-gien von Estoß=500eV aufgenommen (Abb.4a). Unter Berück-sichtigung des in Abb.5c dargestellten QMS-Massen-spektrums der Ionenquelle kann die Signalstruktur durch Diskriminierung der schwereren Cs+-Ionen gegenüber den leichteren K+-Ionen auf Grund unterschiedlicher Transitzeiten innerhalb des el. stat. Spiegels erklärt werden. Ein Vergleich der Flugzeitspektren einer 2.8µm dicken PPX-Membran mit der ungehinderten Flugzeit der Ionen zeigt in Abb.5a-b eine erhöhte Flugdauer der durch die Membran transmittiertenIonen, was auf Energiedissipation hinweist.

nn

www.paryleneinc.com

Dr. M. KuhneFa. Schaefer

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001101201301401500.0

0.1

0.20.3

0.40.5

0.6

0.70.8

0.91.0

Cs+

Rb+

Ione

n Si

gnal

/ u.

E.

Ionen Masse / m z-1

K+

Abb.2c: AFM 1.2µm PPX

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

varia

bel

varia

bel

Repeller Probe

MCP's

TOF

Pote

ntia

l / V

0x100

4x10-3

8x10-3

Cou

nts

/ s-1

0 1E-005 2E-005 3E-005 4E-005 5E-005TOF / s

2.8 µm PPX ; dt = 2 µs ; Ekin = 756 eVohne Membran ; dt = 2 µs ; Ekin = 756 eV

t ( K+ ) = 9.9 - 11.9 µs

0x100

1x10-2

2x10-2

Cou

nts

/ s-1

0 1E-005 2E-005 3E-005 4E-005 5E-005TOF / s

2.8 µm PPX ; dt = 8 µs ; Ekin = 756 eVohne Membran ; dt = 8 µs ; Ekin = 756 eV

t ( K+ ) = 9.9 - 17.9 µst ( Cs+ ) = 18.2 - 26.2 µs

0x100

4x103

8x103

1x104

Cou

nts

/ s-1

0 500 1000 1500 2000 2500 3000Stoßenergie / eV

UTOF = +2500 VUTOF = - 2500 VUTOF = 0 V

d = 2.8 µm; PPX

0x100

4x103

8x103

1x104

Cou

nts

/ s-1

0 500 1000 1500 2000 2500 3000Stoßenergie / eV

UTOF = - 2500 VUTOF = 0 VUTOF = +2500 V

d = 112 nm; PPX

0x100

4x103

8x103

1x104

Cou

nts

/ s-1

0 500 1000 1500 2000 2500 3000Stoßenergie / eV

UTOF = +2500 V ; 2.8 µm PPXUTOF = +2500 V ; 112 nm PPXUTOF = - 2500 V ; 2.8 µm PPXUTOF = - 2500 V ; 112 nm PPX

0x100

1x104

2x104

3x104

4x104

5x104

6x104

Cou

nts

/ s-1

-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0UR1 / V

US / R2 / TOF = - 750 V ; 2.8 µm PPX ; ohne Magnet

US / R2 / TOF = - 750 V ; 2.8 µm PPX ; mit Magnet

US / R2 / TOF = - 750 V ; 112 nm PPX ; ohne Magnet

US / R2 / TOF = - 750 V ; 112 nm PPX ; mit Magnet

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Dic

ke d

es P

PX-F

ilms

/ nm

Menge Poly-p-Xylylen (PPX) / g

gemessene gemittelte Dicke linearer Fit der Daten