Entstehung von Ionenspuren: vom Energieverlust zur fertigen Pore
Die Entstehung von Ionenspuren beginnt mit einem einfachen Vorgang. Beim Durchqueren eines Festkörpers verliert ein Ion fortlaufend Energie. Die dabei pro Wegstrecke abgegebene Energie wird als Energieverlust bezeichnet. Diese Größe entscheidet darüber, ob im Material eine dauerhafte Spur zurückbleibt. Der Weg von einer Schädigung von wenigen Nanometern zu einer Membran mit regelmäßigen Poren lässt sich Schritt für Schritt verfolgen.
Energieverlust und Schwellenwert der Spurbildung
Bei schnellen, schweren Ionen überwiegt die Wechselwirkung mit den Elektronen des Materials. Das Ion gibt seine Energie hauptsächlich an die Elektronen ab und nicht an die Atomkerne. Dadurch entsteht entlang seiner Bahn ein schmaler Bereich mit stark gestörter Struktur. Der Energieverlust ist somit die grundlegende Größe zur Beschreibung dieses Phänomens.
Eine Spur entsteht, sobald der Energieverlust einen materialabhängigen Schwellenwert überschreitet. Unterhalb dieses Werts durchquert das Ion die Folie, deren Struktur dabei praktisch unverändert bleibt. Oberhalb des Schwellenwerts hinterlässt es eine dauerhafte Spur mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern. Ihre Länge hängt von der Energie des Ions und vom Material ab. Am besten untersucht sind Polymerfolien, einige Gläser, Glimmer und wenige Kristalle.
Der Teilchenbeschleuniger als Ionenquelle
Zur Bestrahlung dienen Teilchenbeschleuniger. Sie geben den Ionen die nötige Energie, um den Schwellenwert im jeweiligen Material zu überschreiten. Mit einem Beschleuniger lässt sich also steuern, welche Ionen mit welcher Energie auf die Folie treffen. Auf diese Weise entstehen einzelne Spuren und bei geeigneter Bestrahlung auch ganze Spurfelder.
Die Spurdichte wird über die Bestrahlungszeit und den Strahlstrom eingestellt. Eine längere Bestrahlung oder ein höherer Strom führen zu mehr Spuren auf derselben Fläche. Das ist wichtig, weil die Dichte später die Zahl der Poren in der Membran bestimmt.
Reichweite des Ions und Dicke der Folie
Ein Ion durchquert ein Material nicht unbegrenzt, denn seine Energie nimmt mit jedem Wegstück ab. Seine Reichweite muss deshalb auf die Foliendicke abgestimmt werden. Ist sie größer als die Dicke, verläuft die Spur durch die gesamte Folie. Andernfalls bleibt das Ion im Material stecken, sodass die Spur früher endet. Ihre Länge wird dann von der Reichweite bestimmt. Die Energie des Ions und die Dicke der Folie hängen also eng zusammen.
Von der Spur zur Pore: das Ätzen
Das Material entlang der Spur ist chemisch reaktiver und wird daher von einer Ätzlösung schneller abgetragen als die Umgebung. Dadurch wird aus dem dünnen Kanal eine Pore. Ihre Form hängt von der Art und Konzentration des Ätzmittels, der Temperatur, der Ätzdauer und den Zusätzen ab. Sie kann zylindrisch, kegelförmig oder doppelkonisch sein.
Die Poren einer Folie haben ähnliche Durchmesser, weil jede Spur durch denselben physikalischen Vorgang entstanden ist. Diese Gleichmäßigkeit unterscheidet Membranen mit Spurporen von vielen anderen porösen Materialien.
Anwendungen der fertigen Poren
Membranen mit Spurporen werden in der Filtration und in der Sensorik mit einzelnen Nanoporen eingesetzt. Ionenspuren dienen außerdem in Detektoren für Teilchenspuren. In der Geologie lassen sich damit Spaltspuren in Mineralen untersuchen. Ein weiteres Anwendungsfeld sind Schablonen für Nanostrukturen.
Beim Schablonenverfahren wird eine Seite der Membran mit einer leitfähigen Schicht überzogen und in den Poren galvanisch ein Metall abgeschieden. Nach dem Auflösen des Polymers bleiben Drähte, Röhrchen oder Kegel zurück, deren Form derjenigen der Poren entspricht. Der gesamte Prozess, vom Energieverlust des Ions bis zur fertigen Nanostruktur, geht damit auf einen einzigen Vorgang zurück: die Entstehung von Ionenspuren im Material.