Ionenimpulse

Ionenimpulse bezeichnet die Impulsübertragung eines gerichteten Fluids oder Strahls von Ionen auf ein Zielmaterial. In der Praxis wird der Ionenimpuls oft als Impuls pro Flächeneinheit angegeben und hängt von der Art der Ionen, deren Energie, dem Fluss sowie dem Einfallswinkel ab. Für einen monoenergetischen, normal auftreffenden Ionenstrahl ergibt sich die Impulsübertragung pro Flächeneinheit grob zu I/A ≈ Φp, wobei Φ der Ionenzufluss (Ionen pro Fläche pro Zeit) und p der Impuls pro Ion ist (p = √(2 m E)).

Mechanismus und Auswirkungen: Beim Auftreffen der Ionen wird ein Teil des Impulses direkt auf das Zielgitter übertragen. Der Anteil des Impulses in Normalrichtung treibt atomare Verschiebungen an, während seitliche Komponenten Oberflächentransport, Musterbildung oder Mantelkollisionen auslösen können. Je nach Energie, Massenzusammensetzung, Einfallswinkel und Bindungskräften kann der Ionenimpuls zu Sputtering, Ionenimplantation, Defekterzeugung und Spannungsänderungen in der Schicht führen. Hoher Impuls kann zu dichterem Film, größeren Defektdichten oder charakteristischen Oberflächenstrukturen führen.

Anwendungen und Bedeutung: Der Ionenimpuls spielt eine zentrale Rolle in der Plasmasätz- und Dünnschichttechnik sowie in der Ionenstrahlbearbeitung. Durch gezielte Kontrolle des Impulses lassen sich Schichtdichte, Stresszustände, Mikrostruktur und Oberflächenrauheit beeinflussen. In der Raumfahrttechnik und Antriebstechnik beschreibt der Impulsfluss ionenbasierte Schubkräfte, die aus dem Impulsübergang resultieren.

Messung und Modellierung: Der Impuls kann indirekt aus Messgrößen wie Sputterwirkungsgrad, Implantationsprofilen oder Oberflächenverformungen abgeleitet werden. Modellierungen nutzen Ansätze der Kollisionstheorie oder Monte-Carlo-Simulationen, um Impulsübertragung und daraus resultierende Morphologieänderungen zu prognostizieren. Siehe auch Sputtering, Ioneneinwirkung, Ionimplantation, Ionentransport in Materialien.