In der vorliegenden Arbeit wurde die Schweißbarkeit von hochlegierten TRIP-Matrix Verbundwerkstoffen (TMC) mit und ohne MgO teilstabilisiertem ZrO2 (Mg-PSZ) als Partikelverstärkungsphase mit Hilfe des Elektronenstrahl-Fügeverfahrens erstmals umfassend untersucht. An arteigenen, partikelfreien Fügeverbindungen wurde durch eine breite Parametervariation die Schweißnahtgeometrie, sowie die Auswirkungen des lokalen Temperaturgradienten auf die Mikrostrukturentwicklung untersucht. Die Schweißbarkeit der partikelfreien Stahlmatrix (3-9 Gew.-% Ni) ist sehr gut und wird durch die Neigung zum Humping beschränkt, die mit zunehmendem Nickelgehalt abnimmt. Unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung führt das Schweißen zu keiner signifikanten Beeinflussung der mechanischen Kennwerte. Lediglich bei zyklischer Beanspruchung kommt es zu einer Lebensdauerverringerung durch den Schweißprozess, die in der angegebenen Reihenfolge zunimmt: 16-7-3 --> 16-6-9 --> 16-7-6. Des Weiteren wurden zahlreiche Schweißungen an arteigenen, partikelverstärkten Fügeverbindungen durchgeführt, die trotz zahlreicher Optimierungen keine ausreichende Schweißbarkeit aufweisen. Grund dafür ist die Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Mg-PSZ-Partikeln, die zur explosionsartigen Verdampfung und der Bildung eines Hohlraums in der Schweißnahtmitte führen. Es wurden deshalb artfremde Schweißversuche durchgeführt, die in Abhängigkeit der Schweißgeschwindigkeit Rückschlüsse auf die zulässige Menge an Mg-PSZ in der Schweißzone zuließen. Durch EBSD und TEM-Untersuchungen konnten Grenzzustände für die Aufschmelzung des Verbundwerkstoffs identifiziert werden. Im letzten Teil der Arbeit wurde erstmal ein EB-Lötprozess mit Hilfe einer im Rahmen der Arbeit entwickelt und optimierten temperaturgesteuerten Leistungsregelung erfolgreich realisiert. Durch numerische Berechnungen konnte sowohl die laterale Energieverteilungsfunktion des Elektronenstrahls als auch die Spaltfüllung durch Wärmeausdehnung optimiert werden. Die entstandenen Lotverbindungen wurden mittels lichtmikroskopischer Aufnahmen und ESBD-Untersuchungen charakterisiert, zeigen eine hervorragende Anbindung durch ein chemisches Schmelzen des TMC-Grundwerkstoffs und besitzen Zugfestigkeiten von Rm ≤ 390 MPa.

Über die additive Fertigung, oftmals bezeichnet als 3D-Druck, lassen sich Bauteile nahezu beliebiger geometrischer Komplexität herstellen. Gleichzeitig lassen die Prozessrandbedingungen die direkte Einstellung der Mikrostruktur in den verwendeten metallischen Werkstoffen zu. Hieraus ergeben sich weitreichende Möglichkeiten bezüglich der Eigenschaftsoptimierung aktueller Hochleistungswerkstoffe.

Magnesiumwerkstoffe sind aufgrund ihrer geringen Dichte und hohen spezifischen Festigkeit für den Leichtbau prädestiniert. Ziel der vorgelegten Arbeit ist es, durch die gleichzeitige Verbesserung des Korrosions- und Verschleißverhaltens neue Anwendungsfelder für Magnesiumlegierungen zu erschließen. Anhand der Magnesiumlegierung AZ91D wurden die Möglichkeiten einer lokalen beanspruchungsgerechten Modifikation von Struktur und Gefüge im oberflächennahen Bereich durch eine Elektronenstrahl(EB)-Flüssigphasen-Randschichtbehandlung ohne Zusatzstoff (EB-Umschmelzen) und unter Verwendung von Al-Si-Zusatzstoffen (EB-Umschmelzlegieren) aufgezeigt. Die mittels verschiedener hochfrequenter Strahlablenktechniken erzeugten Schichten weisen eine deutliche Gefügefeinung, neue Gefügemorphologien sowie eine veränderte Phasenverteilung und/oder -neubildung auf, sind riss- und porenfrei und haben eine ausgezeichnete schmelzmetallurgische Anbindung an den Grundwerkstoff. Anhand von Tauchversuchen und potentiodynamischen Polarisationsmessungen in verschieden konzentrierten NaCl-Lösungen konnte eine signifikante Verbesserung des Korrosionsverhaltens der generierten Schichten im Vergleich zum Ausgangszustand nachgewiesen werden. EB-umschmelzlegierte Schichten weisen im Ergebnis von Trockenverschleißtests (Stift-Scheibe) eine deutliche Reduzierung des spezifischen Verschleißkoeffizienten auf.

The radiation source ELBE is a scientific user facility able to generate electromagnetic radiation as well as beams of secondary particles. The figure below shows the layout of the facility. ELBE is based on a superconducting electron linac. The linac consists of two accelerating modules and uses TESLA type nine-cell niobium cavities, two cavities in each module. The cavities were developed at DESY in the framework of the TESLA linear collider project and the X-ray free electron laser (FEL) project. The ELBE linac is designed to operate with an accelerating field gradient of 10 MV/m so that the maximum design electron beam energy at the exit of the second module is 40 MeV. The essential difference of the ELBE linac from the future TESLA and X-ray FEL linacs is that ELBE operates in the continuous wave (CW) mode. ELBE delivers an electron beam with an average current of up to 1 mA. The electron source is a DC thermionic triode delivering beam with energy of 250 keV. The gun beam quality predefines the accelerated beam quality. One application of the electron beam is the generation of bremsstrahlung in the MeV energy range. The bremsstrahlung is used for nuclear spectroscopy experiments. Another application of the electron beam is the generation of quasi-monochromatic X-rays via channeling radiation in a single crystal. Thus X-rays with an energy from 10 keV through 100 keV can be generated. The channeling radiation is used for radio-biological and bio-medical experiments. In the future the ELBE electron beam will be used to produce monoenergetic positrons for material research. One more future application of the beam is the production of neutrons by bremsstrahlung via reactions. The neutrons will be used for material research oriented toward construction of future nuclear fusion reactors. In the author’s opinion, the most exciting and elegant application of the electron beam at ELBE is the infrared FEL. There are two FELs planned to run simultaneously at ELBE. The first one, with an undulator period of 27 mm, is going to operate in the wavelength range from 3 µm through 30 µm. The second one is in the design stage only but it will be built to work at longer wavelengths from 25 µm to 150 µm where the FEL has no competition from conventional quantum lasers. While an infrared FEL makes possible a great variety of experiments it is the device most sensitive to the electron beam quality. This dissertation is dedicated to the development of beam instrumentation and the measurement of electron beam parameters at ELBE. - In Chapter #1 we review fundamentals of FEL operation, discuss the importance of the electron beam quality for the FEL and lay down the requirements imposed by the FEL on the electron beam parameters. - Chapter #2 describes measurements of the transverse emittance we did at ELBE including an explanation of the experimental methods and the measurement error analysis. The transverse emittance was measured with the multislit method in the injector where the beam is space charge dominated. The transverse emittance of the accelerated beam was measured with the quadrupole scan method since the beam is emittance dominated. - Measurements of the electron bunch length, which is in the picosecond range, are described in Chapter #3. The bunch length was estimated from a frequency domain fit of a specially constructed analytical function to the measured power spectrum of the bunch. The power spectrum was obtained as a Fourier transform of the measured autocorrelation function of the coherent transition radiation (CTR). The CTR autocorrelation function was measured with the help of a Martin-Puplett interferometer. - A system of beam position monitors was designed, built, and commissioned in the framework of this effort. The design of our stripline BPM, the corresponding electronics and software is described in Chapter #4 along with the system performance as measured with the ELBE beam.

Ziele wie eine hohe Auflösung und ein hoher Durchsatz sind bisher in der Elektronenstrahllithografie nicht gleichzeitig erreichbar; es existieren daher die Belichtungskonzepte Gaussian-Beam und Variable-Shaped-Beam (VSB), die auf Hochauflösung respektive Durchsatz optimiert sind. In dieser Arbeit wird der experimentelle Kreuzvergleich beider Belichtungskonzepte mit Hilfe chemisch verstärkter und nicht verstärkter Lacksysteme präsentiert. Als quantitativer Parameter wurde die Gesamtunschärfe eingeführt, die sich durch quadratische Addition der auflösungslimitierenden Fehlerquellen, also Coulomb-Wechselwirkungen (Strahlunschärfe), Lackprozess (Prozessunschärfe) und Proximity-Effekt (Streuunschärfe), ergibt. Für den Vergleich wurden wohldefinierte Prozesse auf 300 mm Wafern entwickelt und umfassend charakterisiert. Weitere Grundlage ist die Anpassung oder Neuentwicklung spezieller Methoden wie Kontrast- und Basedosebestimmung, Doughnut-Test, Isofokal-Dosis-Methode für Linienbreiten und Linienrauheit sowie die Bestimmung der Gesamtunschärfe unter Variation des Fokus. Es wird demonstriert, dass sich mit einer kleineren Gesamtunschärfe die Auflösung dichter Linien verbessert. Der direkte Vergleich der Gesamtunschärfen beider Belichtungskonzepte wird durch die variable Strahlunschärfe bei VSB-Schreibern erschwert. Da für die Bestimmung der Gesamtunschärfe keine Hochauflösung nötig ist, wird das Testpattern mit größeren Shots belichtet und induziert somit eine größere Gesamtunschärfe. Es wird gezeigt, dass die Prozessunschärfe den größten Anteil der Gesamtunschärfe stellt. Außerdem spielt die Streuunschärfe bei Lackdicken kleiner 100 nm und Beschleunigungsspannungen von 50 kV oder größer keine Rolle.:Titelblatt Kurzfassung / Abstract 1 Motivation 2 Grundsätze und Fragestellungen der Elektronenstrahllithografie 2.1 Wirkprinzipien der Elektronenoptik 2.1.1 Köhlersche Beleuchtung 2.1.2 Linsenfehler 2.1.3 Raumladung, Coulomb-Wechselwirkungen und Strahlunschärfe 2.2 Proximity-Effekt 2.2.1 Streuprinzipien der Wechselwirkung Elektron-Materie 2.2.2 Strukturdefinition, Proximity-Effekt-Korrektur und Streuunschärfe 2.3 Lackeigenschaften und Lackchemie 2.3.1 Tonalität und Prozessierung 2.3.2 Kontrast und Empfindlichkeit 2.3.3 Chemisch nicht verstärkte Lacke 2.3.4 Chemisch verstärkte Lacke 2.3.5 Prozessunschärfe 2.4 Auflösung 2.4.1 Prinzip von Gaussian-Beam und Variable-Shaped Beam 2.4.2 Aufbau, Strahlengang, Intensitätsprofil und Auflösung beider Belichtungskonzepte 2.4.3 Messtechnische Bestimmung der Auflösung 2.4.4 Schlussfolgerung für die Auflösung und Definition der Gesamtunschärfe 3 Prozessentwicklung und -charakterisierung 3.1 Chemisch verstärkte Negativlacke einer Lackserie 3.1.1 Vergleich der Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.1.2 Vergleich der Kontrastkurven und Charakteristika 3.1.3 Entwicklungseinfluss auf Kontrastkurven und Linienbreiten 3.1.4 Vergleichende Backempfindlichkeiten bezüglich PAB und PEB 3.1.5 Auswahl von Prozess und nCAR3 für weitere Experimente 3.1.6 Struktur des Lackmaterials und FTIR-Untersuchungen des nCAR3 3.2 HSQ als chemisch nicht verstärkter Lack 3.2.1 Prozessierung 3.2.2 Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.2.3 Einfluss der Entwicklung und der Wartezeit nach dem Belacken auf Kontrastkurven und Auflösung 3.2.4 Einfluss der Schichtdicke auf Kontrastkurven und Basedose 3.2.5 Mögliche Temperaturschritte 3.2.6 Auflösung 3.2.7 Struktur, Reaktion und grundlegende FTIR-Untersuchungen 4 Methodenentwicklung für späteren Vergleich 4.1 Kontrastbestimmung 4.2 Definition der Basedose und deren Bestimmung 4.3 Bestimmung der Modulationstransferfunktion 4.4 Doughnut-Test zur Rückstreuparameterbestimmung 4.5 Isofokal-Dosis-Methode 4.6 Erweiterte Isofokal-Dosis-Methode zur Bestimmung der Gesamtunschärfe unter Variation des Fokus 5 Experimenteller Kreuzvergleich 5.1 Prozessbedingungen für nCAR3 und HSQ 5.2 Prozessvergleich: Kontrast, Basedose, Prozessbreite 5.3 Isofokal-Dosis-Methode angewendet auf Linienbreite, Auflösung und Linienrauheit 5.4 Bestimmung der Gesamtunschärfe 5.5 Doughnut-Test für Variable-Shaped-Beam-Schreiber 5.6 Vergleich der Modulationstransferfunktionen 5.7 Auflösung isolierter und dichter Linien 5.8 Interpretation und Verknüpfung der experimentellen Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Abkürzungen Formelzeichen und Symbole Literaturverzeichnis Veröffentlichungen Danksagung Lebenslauf / Up to now, targets like high resolution and high throughput can not be achieved at the same time in electron beam lithography; therefore, the exposure concepts Gaussian-Beam and Variable-Shaped-Beam (VSB) exist, which are optimized for high resolution and throughput, respectively. In this work, the experimental cross-comparison of both exposure concepts is presented using chemically amplified and non-chemically amplified resist systems. For quantification the total blur parameter has been introduced, which is the result of the quadratic addition of the resolution limiting error sources, like Coulomb interactions (beam blur), resist process (process blur) and proximity-effect (scatter blur). For the comparison, well-defined processes have been developed on 300 mm wafers and were fully characterized. Further basis is the adaption or the new development of special methods like the determination of contrast and basedose, the doughnut-test, the isofocal-dose-method for line widths and line roughness as well as the determination of the total blur with variation of the focus. It is demonstrated, that the resolution of dense lines is improved with a smaller total blur. The direct comparison of the total blur values of both exposure concepts is complicated by the variable beam blur of VSB writers. Since high resolution is not needed for the determination of the total blur, the test pattern is exposed with larger shots on the VSB writer, which induces a larger total blur. It is shown that the process blur makes the largest fraction of the total blur. The scatter blur is irrelevant using resist thicknesses smaller than 100 nm and acceleration voltages of 50 kV or larger.:Titelblatt Kurzfassung / Abstract 1 Motivation 2 Grundsätze und Fragestellungen der Elektronenstrahllithografie 2.1 Wirkprinzipien der Elektronenoptik 2.1.1 Köhlersche Beleuchtung 2.1.2 Linsenfehler 2.1.3 Raumladung, Coulomb-Wechselwirkungen und Strahlunschärfe 2.2 Proximity-Effekt 2.2.1 Streuprinzipien der Wechselwirkung Elektron-Materie 2.2.2 Strukturdefinition, Proximity-Effekt-Korrektur und Streuunschärfe 2.3 Lackeigenschaften und Lackchemie 2.3.1 Tonalität und Prozessierung 2.3.2 Kontrast und Empfindlichkeit 2.3.3 Chemisch nicht verstärkte Lacke 2.3.4 Chemisch verstärkte Lacke 2.3.5 Prozessunschärfe 2.4 Auflösung 2.4.1 Prinzip von Gaussian-Beam und Variable-Shaped Beam 2.4.2 Aufbau, Strahlengang, Intensitätsprofil und Auflösung beider Belichtungskonzepte 2.4.3 Messtechnische Bestimmung der Auflösung 2.4.4 Schlussfolgerung für die Auflösung und Definition der Gesamtunschärfe 3 Prozessentwicklung und -charakterisierung 3.1 Chemisch verstärkte Negativlacke einer Lackserie 3.1.1 Vergleich der Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.1.2 Vergleich der Kontrastkurven und Charakteristika 3.1.3 Entwicklungseinfluss auf Kontrastkurven und Linienbreiten 3.1.4 Vergleichende Backempfindlichkeiten bezüglich PAB und PEB 3.1.5 Auswahl von Prozess und nCAR3 für weitere Experimente 3.1.6 Struktur des Lackmaterials und FTIR-Untersuchungen des nCAR3 3.2 HSQ als chemisch nicht verstärkter Lack 3.2.1 Prozessierung 3.2.2 Schichtdicken und -nonuniformitäten 3.2.3 Einfluss der Entwicklung und der Wartezeit nach dem Belacken auf Kontrastkurven und Auflösung 3.2.4 Einfluss der Schichtdicke auf Kontrastkurven und Basedose 3.2.5 Mögliche Temperaturschritte 3.2.6 Auflösung 3.2.7 Struktur, Reaktion und grundlegende FTIR-Untersuchungen 4 Methodenentwicklung für späteren Vergleich 4.1 Kontrastbestimmung 4.2 Definition der Basedose und deren Bestimmung 4.3 Bestimmung der Modulationstransferfunktion 4.4 Doughnut-Test zur Rückstreuparameterbestimmung 4.5 Isofokal-Dosis-Methode 4.6 Erweiterte Isofokal-Dosis-Methode zur Bestimmung der Gesamtunschärfe unter Variation des Fokus 5 Experimenteller Kreuzvergleich 5.1 Prozessbedingungen für nCAR3 und HSQ 5.2 Prozessvergleich: Kontrast, Basedose, Prozessbreite 5.3 Isofokal-Dosis-Methode angewendet auf Linienbreite, Auflösung und Linienrauheit 5.4 Bestimmung der Gesamtunschärfe 5.5 Doughnut-Test für Variable-Shaped-Beam-Schreiber 5.6 Vergleich der Modulationstransferfunktionen 5.7 Auflösung isolierter und dichter Linien 5.8 Interpretation und Verknüpfung der experimentellen Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Abkürzungen Formelzeichen und Symbole Literaturverzeichnis Veröffentlichungen Danksagung Lebenslauf

Als Ladungsbrüten wird die Umwandlung niedrig geladener Ionen, welche über ein breites Spektrum von Elementen bis hin zu exotischen, radioaktiven Spezies erzeugt werden können, in hochgeladene Ionen bezeichnet, was beispielsweise für deren effiziente Nachbeschleunigung oder kern- und atomphysikalische Präzisionsmessungen von Bedeutung ist. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass es möglich ist, kompakte, bei Raumtemperatur betriebene Elektronenstrahlionenquellen des Dresden EBIS/T - Typs als Ladungsbrüter zu verwenden. Anhand von Simulationen zum Ioneneinfang sowie Experimenten zur Ioneninjektion und -reextraktion wurden die Ionenquellen Dresden EBIT und EBIS-A als Ladungsbrüter charakterisiert. Eigenschaften der Quellen, welche von besonderem Interesse für das Ladungsbrüten sind, wurden untersucht. Hierzu zählen Elektronenstromdichte, Ionisationsfaktor, Akzeptanz sowie Einfangsbeziehungsweise Brütungseffizienz. An einer Dresden EBIS-A wurden weiterhin die Emittanzen des injizierten und reextrahierten Strahls bestimmt. Neben den Untersuchungen zum Ladungsbrüten selbst wurde dieses als experimentelle Technik für die Bestimmung von Elektronenstoß - Ionisationsquerschnitten der Goldionen Au38+ bis Au46+ bei einer Elektronenenergie von 11,5 keV verwendet. Ein Vergleich der Messwerte mit semiempirisch sowie theoretisch berechneten Daten ergab, dass für die Ionisation der 4d - und 4p - Elektronen von Gold in diesem Energiebereich neben der direkten Stoßionisation auch die Autoionisation nach Elektronenstoß - Anregung in die Betrachtung einbezogen werden muss, um eine gute Übereinstimmung von Theorie und Experiment zu erreichen.:1 Einleitung . . . 9 2 Physik hochgeladener Ionen . . . 12 2.1 Atomphysikalische Prozesse . . . 12 2.1.1 Elektron - Ion - Wechselwirkungen . . . 12 2.1.1.1 Elektronenstoßionisation . . . 12 2.1.1.2 Elektronenstoßanregung . . . 14 2.1.1.3 Augerprozess . . . 16 2.1.1.4 Mehrfachionisation . . . 17 2.1.1.5 Strahlende Rekombination und Photoionisation . . . 19 2.1.1.6 Dielektronische Rekombination . . . 21 2.1.2 Ion - Ion - Wechselwirkungen . . . 23 2.1.2.1 Ladungsaustausch . . . 23 2.1.2.2 Transferionisation . . . 24 2.2 Erzeugung hochgeladener Ionen . . . 25 2.2.1 Übersicht - Quellen hochgeladener Ionen . . . 25 2.2.2 Elektronenstrahlionenquellen . . . 28 2.2.2.1 Aufbau . . . 28 2.2.2.2 Elektronenstrahl . . . 29 2.2.2.3 Ioneneinschluss . . . 33 2.2.2.4 Ionisationsdynamik . . . 35 2.3 Ionenstrahlen . . . 38 2.3.1 Strahltransport . . . 39 2.3.2 Trajektorienraum und Emittanz . . . 42 3 Experimentelle Anlagen für die Untersuchungen zum Ladungsbrüten . . . 44 3.1 Elektronenstrahlionenquellen des Dresden EBIS/T - Typs . . . 44 3.2 Teststand für ortsaufgelöste Röntgenspektroskopie an einer Dresden EBIT . . . 45 3.3 Highly Charged Ion TRAP (HITRAP) - Sektion für das Ladungsbrüten mit der Dresden EBIT . . . 46 3.3.1 Aufbau der Anlage . . . 46 3.3.2 Kalium - Ionenquelle . . . 47 3.4 Erweiterung der Micro Beam Facility (MBF) für das Ladungsbrüten mit der Dresden EBIS-A . . . 48 3.4.1 Aufbau der Anlage . . . 48 3.4.2 Flüssigmetallionenquelle . . . 49 3.4.3 Pepper - Pot - Emittanzmeter . . . 50 3.4.3.1 Funktionsweise . . . 50 3.4.3.2 Auswertung von Pepper - Pot - Messungen . . . 52 4 Ladungsbrüten mit Dresden EBIT - Quellen . . . 56 4.1 Optimierung der Eigenschaften des Elektronenstrahls der Dresden EBIT für das Ladungsbrüten . . . 56 4.1.1 Messung des radialen Profils des Elektronenstrahls und Bestimmung der Elektronenstromdichte . . . 56 4.1.2 Variation der Betriebsparameter zur Optimierung der Elektronenstromdichte . . . 60 4.1.2.1 Variation der Elektronenstrahlenergie . . . 60 4.1.2.2 Variation des Elektronenstroms . . . 63 4.1.2.3 Variation der Fallentiefe . . . 64 4.2 Simulationen zum Einschuss einfach geladener Ionen in eine Dresden EBIT . . . 66 4.2.1 Beschreibung des Simulationsprogramms . . . 66 4.2.2 Abschätzung der optimalen Spannung an der EBIT - Extraktionselektrode . . . 68 4.2.3 Abschätzung der optimalen Einschussenergie . . . 69 4.2.4 Abschätzung der Akzeptanz . . . 72 4.3 Röntgenspektroskopische Messungen . . . 75 4.4 A/q - Analyse des extrahierten Strahls . . . 78 5 Ladungsbrüten mit einer Dresden EBIS-A . . . 85 5.1 Vorbereitende Testmessungen . . . 85 5.1.1 Optimierung der Anlagenbetriebsparameter für den Einschuss . . . 85 5.1.2 Analyse der Trajektorienraumverteilung des eingeschossenen Strahls . . . 86 5.2 A/q - Analyse des extrahierten Auq+ - Strahls . . . 89 5.3 Bestimmung der Emittanz des extrahierten Auq+ - Strahls . . . 95 6 Elektronenstoß - Ionisationsquerschnitte hochgeladener Goldionen . . . 97 6.1 Motivation . . . 97 6.2 Atomstrukturrechnungen . . . 99 6.3 Bestimmung der Querschnitte aus der zeitlichen Entwicklung von Ladungszuständen . . . 102 6.4 Experimentelle Ergebnisse . . . 104 6.4.1 Elektronenstrahlradius und Überlappfaktor . . . 104 6.4.2 Elektronenstoßionisationsquerschnitte hochgeladener Goldionen und Vergleich mit theoretischen Berechnungen . . . 107 7 Zusammenfassung und Ausblick . . . 111 Anhang . . . 114 Literaturverzeichnis . . . 118 Liste mit dieser Arbeit verbundener Veröffentlichungen . . . 125 Danksagung . . . 126 Erklärung . . . 128 / The conversion of low charged ions, which can be produced from a broad spectrum of elements up to exotic, radioactive species, to highly charged ions is called charge breeding, which is an important experimental technique for, e.g., efficient post - acceleration or high - precision nuclear and atomic physics experiments. This work demonstrates the feasibility of charge breeding with compact, room - temperature operated electron beam ion sources of the Dresden EBIS/T type. The sources Dresden EBIT and EBIS-A were characterized as charge breeders by simulations of ion capture as well as ion injection and re-extraction experiments. Properties which are critical for charge breeding, such as electron beam density, ionization factor, acceptance, as well as injection and breeding efficiency, were investigated. Further on, in case of the EBIS-A, emittance studies of the injected as well as re-extracted beam were carried out. In addition to the measurements concentrating on charge breeding itself, this experimental technique was used to measure electron impaction ionization cross sections of gold ions from Au38+ up to Au46+ at an electron energy of 11.5 keV. Comparing the measured values to semi - empirical as well as theoretical calculations, it was found that for the ionization of the 4d and 4p electrons of gold ions in this energy region not only direct electron impact ionization but also excitation - autoionization processes have to be considered in order to achieve a good agreement of theory and experiment.:1 Einleitung . . . 9 2 Physik hochgeladener Ionen . . . 12 2.1 Atomphysikalische Prozesse . . . 12 2.1.1 Elektron - Ion - Wechselwirkungen . . . 12 2.1.1.1 Elektronenstoßionisation . . . 12 2.1.1.2 Elektronenstoßanregung . . . 14 2.1.1.3 Augerprozess . . . 16 2.1.1.4 Mehrfachionisation . . . 17 2.1.1.5 Strahlende Rekombination und Photoionisation . . . 19 2.1.1.6 Dielektronische Rekombination . . . 21 2.1.2 Ion - Ion - Wechselwirkungen . . . 23 2.1.2.1 Ladungsaustausch . . . 23 2.1.2.2 Transferionisation . . . 24 2.2 Erzeugung hochgeladener Ionen . . . 25 2.2.1 Übersicht - Quellen hochgeladener Ionen . . . 25 2.2.2 Elektronenstrahlionenquellen . . . 28 2.2.2.1 Aufbau . . . 28 2.2.2.2 Elektronenstrahl . . . 29 2.2.2.3 Ioneneinschluss . . . 33 2.2.2.4 Ionisationsdynamik . . . 35 2.3 Ionenstrahlen . . . 38 2.3.1 Strahltransport . . . 39 2.3.2 Trajektorienraum und Emittanz . . . 42 3 Experimentelle Anlagen für die Untersuchungen zum Ladungsbrüten . . . 44 3.1 Elektronenstrahlionenquellen des Dresden EBIS/T - Typs . . . 44 3.2 Teststand für ortsaufgelöste Röntgenspektroskopie an einer Dresden EBIT . . . 45 3.3 Highly Charged Ion TRAP (HITRAP) - Sektion für das Ladungsbrüten mit der Dresden EBIT . . . 46 3.3.1 Aufbau der Anlage . . . 46 3.3.2 Kalium - Ionenquelle . . . 47 3.4 Erweiterung der Micro Beam Facility (MBF) für das Ladungsbrüten mit der Dresden EBIS-A . . . 48 3.4.1 Aufbau der Anlage . . . 48 3.4.2 Flüssigmetallionenquelle . . . 49 3.4.3 Pepper - Pot - Emittanzmeter . . . 50 3.4.3.1 Funktionsweise . . . 50 3.4.3.2 Auswertung von Pepper - Pot - Messungen . . . 52 4 Ladungsbrüten mit Dresden EBIT - Quellen . . . 56 4.1 Optimierung der Eigenschaften des Elektronenstrahls der Dresden EBIT für das Ladungsbrüten . . . 56 4.1.1 Messung des radialen Profils des Elektronenstrahls und Bestimmung der Elektronenstromdichte . . . 56 4.1.2 Variation der Betriebsparameter zur Optimierung der Elektronenstromdichte . . . 60 4.1.2.1 Variation der Elektronenstrahlenergie . . . 60 4.1.2.2 Variation des Elektronenstroms . . . 63 4.1.2.3 Variation der Fallentiefe . . . 64 4.2 Simulationen zum Einschuss einfach geladener Ionen in eine Dresden EBIT . . . 66 4.2.1 Beschreibung des Simulationsprogramms . . . 66 4.2.2 Abschätzung der optimalen Spannung an der EBIT - Extraktionselektrode . . . 68 4.2.3 Abschätzung der optimalen Einschussenergie . . . 69 4.2.4 Abschätzung der Akzeptanz . . . 72 4.3 Röntgenspektroskopische Messungen . . . 75 4.4 A/q - Analyse des extrahierten Strahls . . . 78 5 Ladungsbrüten mit einer Dresden EBIS-A . . . 85 5.1 Vorbereitende Testmessungen . . . 85 5.1.1 Optimierung der Anlagenbetriebsparameter für den Einschuss . . . 85 5.1.2 Analyse der Trajektorienraumverteilung des eingeschossenen Strahls . . . 86 5.2 A/q - Analyse des extrahierten Auq+ - Strahls . . . 89 5.3 Bestimmung der Emittanz des extrahierten Auq+ - Strahls . . . 95 6 Elektronenstoß - Ionisationsquerschnitte hochgeladener Goldionen . . . 97 6.1 Motivation . . . 97 6.2 Atomstrukturrechnungen . . . 99 6.3 Bestimmung der Querschnitte aus der zeitlichen Entwicklung von Ladungszuständen . . . 102 6.4 Experimentelle Ergebnisse . . . 104 6.4.1 Elektronenstrahlradius und Überlappfaktor . . . 104 6.4.2 Elektronenstoßionisationsquerschnitte hochgeladener Goldionen und Vergleich mit theoretischen Berechnungen . . . 107 7 Zusammenfassung und Ausblick . . . 111 Anhang . . . 114 Literaturverzeichnis . . . 118 Liste mit dieser Arbeit verbundener Veröffentlichungen . . . 125 Danksagung . . . 126 Erklärung . . . 128

Diese Arbeit befasst sich mit der Nanostrukturierung von magnetischen Schichtsystemen mit Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt), welche in der Form von Nanosäulen in magnetoresistiven Speichern (MRAM) eingesetzt werden. Solche Nanosäulen können zukünftig ebenfalls als Nanoemitter von Mikrowellensignalen eine Rolle spielen. Dabei wird von der Auswahl eines geeigneten TMR-Schichtsystems mit einer MgO-Tunnelbarriere über die Präparation der Nanosäulen mit Seitenisolierung bis hin zum Aufbringen der elektrischen Zuleitungen eine komplette Prozesskette entwickelt und optimiert. Die Strukturen werden mittels optischer Lithographie und Elektronenstrahllithographie definiert, die anschließende Strukturübertragung erfolgt durch Ionenstrahlätzen (teilweise reaktiv) sowie durch Lift-off. Rückmeldung über Erfolg oder Probleme bei der Strukturierung geben Transmissionselektronenmikroskopie (teilweise mit Zielpräparation per Ionenfeinstrahl, FIB), Rasterelektronenmikroskopie sowie die Lichtmikroskopie. Es können so TMR-Nanosäulen mit minimalen Abmessungen von bis zu 69 nm x 71 nm hergestellt werden, von denen Nanosäulen mit Abmessungen von 65 nm x 87 nm grundlegend magneto-elektrisch charakterisiert worden sind. Dies umfasst die Bestimmung des TMR-Effektes und des Widerstandes der Tunnelbarriere (RA-Produkt). Weiterhin wurde das Verhalten der magnetischen Schichten bei größeren Magnetfeldern bis +-200mT sowie das Umschaltverhalten der magnetisch freien Schicht bei verändertem Winkel zwischen magnetischer Vorzugsachse des TMR-Elementes und dem äußeren Magnetfeld untersucht. Der Nachweis des Spin-Transfer-Torque Effektes an den präparierten TMR-Nanosäulen ist im Rahmen dieser Arbeit nicht gelungen, was mit dem zu hohen elektrischen Widerstand der verwendeten Tunnelbarriere erklärt werden kann. Mit dünneren Barrieren konnte der Widerstand gesenkt werden, allerdings führt ein Stromfluss durch diese Barrieren schnell zur Degradation der Barrieren. Weiterführende Arbeiten sollten das Ziel haben, niederohmige und gleichzeitig elektrisch belastbare Tunnelbarrieren in einem entsprechenden TMR-Schichtsystem abzuscheiden. Eine erste Auswahl an Ansatzpunkten dafür aus der Literatur wird im Ausblick gegeben.:Einleitung I Grundlagen 1 Spinelektronik und Magnetowiderstand 1.1 Der Elektronenspin – Grundlage des Magnetismus 1.2 Magnetoresistive Effekte 1.2.1 AnisotroperMagnetowiderstand 1.2.2 Riesenmagnetowiderstand 1.2.3 Tunnelmagnetowiderstand 1.3 Spin-Transfer-Torque 1.4 Anwendungen 1.4.1 Festplattenleseköpfe 1.4.2 Magnetoresistive Random AccessMemory (MRAM) 1.4.3 Nanooszillatoren für drahtlose Kommunikation 2 Grundlagen der Mikro- und Nanostrukturierung 2.1 Belacken 2.2 Belichten 2.2.1 Optische Lithographie 2.2.2 Elektronenstrahllithographie 2.3 Entwickeln 2.4 Strukturübertragung 2.4.1 Die Lift-off Technik 2.4.2 Ätzen 2.5 Entfernen der Lackmaske 2.6 Reinigung 2.6.1 Quellen von Verunreinigungen 2.6.2 Auswirkungen von Verunreinigungen 2.6.3 Entfernung von Verunreinigungen 2.6.4 Spülen und Trocknen der Probenoberfläche 3 Ionenstrahlätzen 3.1 Physikalisches Ätzen – Sputterätzen 3.2 Reaktives Ionenstrahlätzen – RIBE 3.3 Anlagentechnik 3.3.1 Parameter 3.3.2 Homogenität 3.3.3 Endpunktdetektion II Ergebnisse und Diskussion 4 TMR-Schichtsysteme 4.1 Prinzipielle Schichtfolge 4.2 Verwendete TMR-Schichtsysteme 4.3 Rekristallisation von Kupfer 4.4 Formierung der TMR-Schichtsysteme 4.4.1 Antiferromagnetische Kopplung an PtMn 4.4.2 Rekristallisation an der MgO-Barriere 4.5 Anpassung der MgO-Schicht – TMR-Effekt und RA-Produkt 4.6 Magnetische Charakterisierung 5 Probendesign 5.1 Beschreibung der vier lithographischen Ebenen 5.2 Layout für statische und dynamischeMessungen 5.2.1 Geometrie 5.2.2 Anforderungen für die Hochfrequenzmessung 5.3 Layout für Zuverlässigkeitsmessungen 5.3.1 Geometrie 5.3.2 Voraussetzungen für die Funktion 5.4 Chiplayout 5.4.1 Zusatzstrukturen 5.4.2 Anordnung der Elemente 6 Fertigung eines Maskensatzes für die optische Lithographie 6.1 Vorbereitung desMaskenrohlings 6.2 Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 6.3 Ätzen der Chromschicht 7 Ergebnisse und Diskussion der Probenpräparation 7.1 Definition der Grundelektrode 7.1.1 Freistellen der Grundelektrode 7.1.2 Gratfreiheit der Grundelektrode 7.1.3 Oberflächenqualität nach der Strukturierung 7.2 Präparation der magnetischen Nanosäulen 7.2.1 Aufbringen einer Ätzmaske 7.2.2 Ionenstrahlätzen der TMR-Nanosäule 7.2.3 Abmessungen der präparierten Nanosäulen 7.3 Vertikale Kontaktierung 7.3.1 Seitenwandisolation 7.3.2 Freilegen der Kontakte 7.3.3 Aufbringen der elektrischen Zuleitungen 7.4 Die komplette Prozesskette und Ausbeute 8 Magneto-elektrische Charakterisierung 8.1 Messung des Tunnelmagnetowiderstandes 8.2 Stabilität der magnetischen Konfiguration 8.3 Spin-Transfer-Torque an TMR-Nanosäulen 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis / This thesis deals with the fabrication of nanopillars with tunnel magnetoresistance effect (TMR-effect), which are used in magnetoresistive memory (MRAM) and may be used as nanooscillators for future near field communication devices. Starting with the selection of a suitable TMR-layer stack with MgO-tunnel barrier, the whole process chain covering the fabrication of the nanopillars, sidewall isolation and preparation of the supply lines on top is developed and optimised. The structures are defined by optical and electron beam lithography, the subsequent patterning is done by ion beam etching (partially reactive) and lift-off. Techniques providing feedback on the nanofabrication are transmission electron microscopy (partially with target preparation by focused ion beam, FIB), scanning electron microscopy and optical microscopy. In this way nanopillars with minimal dimensions reaching 69 nm x 71 nm could be fabricated, of which nanopillars with a size of 65 nm x 87 nm were characterized fundamentally with respect to their magnetic and electric properties. This covers the determination of the TMR-effect and the resistance of the tunnel barrier (RA-product). In addition, the behaviour of the magnetic layers under higher magnetic fields (up to +-200mT) and the switching behaviour of the free layer at different angles between the easy axis of the TMR-element and the external magnetic field were investigated. The spin transfer torque effect could not be detected in the fabricated nanopillars due to the high electrical resistance of the tunnel barriers which were used. The resistance could be lowered by using thinner barriers, but this led to a quick degradation of the barrier when a current was applied. Continuative work should focus on the preparation of tunnel barriers in an appropriate TMR-stack being low resistive and electrically robust at the same time. A first selection of concepts and ideas from the literature for this task is given in the outlook.:Einleitung I Grundlagen 1 Spinelektronik und Magnetowiderstand 1.1 Der Elektronenspin – Grundlage des Magnetismus 1.2 Magnetoresistive Effekte 1.2.1 AnisotroperMagnetowiderstand 1.2.2 Riesenmagnetowiderstand 1.2.3 Tunnelmagnetowiderstand 1.3 Spin-Transfer-Torque 1.4 Anwendungen 1.4.1 Festplattenleseköpfe 1.4.2 Magnetoresistive Random AccessMemory (MRAM) 1.4.3 Nanooszillatoren für drahtlose Kommunikation 2 Grundlagen der Mikro- und Nanostrukturierung 2.1 Belacken 2.2 Belichten 2.2.1 Optische Lithographie 2.2.2 Elektronenstrahllithographie 2.3 Entwickeln 2.4 Strukturübertragung 2.4.1 Die Lift-off Technik 2.4.2 Ätzen 2.5 Entfernen der Lackmaske 2.6 Reinigung 2.6.1 Quellen von Verunreinigungen 2.6.2 Auswirkungen von Verunreinigungen 2.6.3 Entfernung von Verunreinigungen 2.6.4 Spülen und Trocknen der Probenoberfläche 3 Ionenstrahlätzen 3.1 Physikalisches Ätzen – Sputterätzen 3.2 Reaktives Ionenstrahlätzen – RIBE 3.3 Anlagentechnik 3.3.1 Parameter 3.3.2 Homogenität 3.3.3 Endpunktdetektion II Ergebnisse und Diskussion 4 TMR-Schichtsysteme 4.1 Prinzipielle Schichtfolge 4.2 Verwendete TMR-Schichtsysteme 4.3 Rekristallisation von Kupfer 4.4 Formierung der TMR-Schichtsysteme 4.4.1 Antiferromagnetische Kopplung an PtMn 4.4.2 Rekristallisation an der MgO-Barriere 4.5 Anpassung der MgO-Schicht – TMR-Effekt und RA-Produkt 4.6 Magnetische Charakterisierung 5 Probendesign 5.1 Beschreibung der vier lithographischen Ebenen 5.2 Layout für statische und dynamischeMessungen 5.2.1 Geometrie 5.2.2 Anforderungen für die Hochfrequenzmessung 5.3 Layout für Zuverlässigkeitsmessungen 5.3.1 Geometrie 5.3.2 Voraussetzungen für die Funktion 5.4 Chiplayout 5.4.1 Zusatzstrukturen 5.4.2 Anordnung der Elemente 6 Fertigung eines Maskensatzes für die optische Lithographie 6.1 Vorbereitung desMaskenrohlings 6.2 Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 6.3 Ätzen der Chromschicht 7 Ergebnisse und Diskussion der Probenpräparation 7.1 Definition der Grundelektrode 7.1.1 Freistellen der Grundelektrode 7.1.2 Gratfreiheit der Grundelektrode 7.1.3 Oberflächenqualität nach der Strukturierung 7.2 Präparation der magnetischen Nanosäulen 7.2.1 Aufbringen einer Ätzmaske 7.2.2 Ionenstrahlätzen der TMR-Nanosäule 7.2.3 Abmessungen der präparierten Nanosäulen 7.3 Vertikale Kontaktierung 7.3.1 Seitenwandisolation 7.3.2 Freilegen der Kontakte 7.3.3 Aufbringen der elektrischen Zuleitungen 7.4 Die komplette Prozesskette und Ausbeute 8 Magneto-elektrische Charakterisierung 8.1 Messung des Tunnelmagnetowiderstandes 8.2 Stabilität der magnetischen Konfiguration 8.3 Spin-Transfer-Torque an TMR-Nanosäulen 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis

Nous étudions l’accélération d’un faisceau d’électrons provenant d’un photoinjecteur RF lorsque celui-ci est injecté dans le champ électrique à très fort gradient crée par un laser de forte puissance dans un plasma. Dans cette thèse la configuration d’une telle expérience est étudiée et des simulations du début à la fin sont présentées. Étant donné qu’un faisceau ultra-court d’électrons (quelques femto secondes) est nécessaire pour atteindre une faible dispersion en énergie dans le plasma, le faisceau d’électrons de 10 MeV provenant du photoinjecteur est comprimé en deux étapes. Le premier étage utilise une chicane coudée qui comprime le paquet d’électrons jusqu’à une durée de 69 fs, puis un deuxième étage qui utilise la méthode de regroupement par différence de célérité dans le plasma et qui comprime le paquet jusqu’à 4 fs avant qu’il ne soit accéléré. Le paquet d’électrons est comprimé transversalement avant d’être injecté dans le plasma. Le paquet d’électrons est focalisé transversalement avant d’être injecté dans le plasma. Une longue cellule plasma est utilisée pour créer le plasma en commençant plusieurs longueurs de Rayleigh avant le plan focal du laser, ce qui permet un regroupement par différence de célérité dans la première partie du plasma avec des contraintes relâchées sur la taille transverse du paquet d’électrons. La cellule plasma s’étend plusieurs longueurs de Rayleigh après le plan focal du laser pour supprimer la divergence angulaire du paquet d’électrons. Nous démontrons que le paquet d’électrons à la sortie du plasma a une énergie de plus d’une centaine de MeV avec une émittance plus petite que 1 µm, une charge plus grande que 7pC et une dispersion en énergie plus petite que 1,5% (largeur à mi-hauteur). Pour étendre la longueur d’accélération nous avons étudié le guidage du laser par un capillaire diélectrique creux et les résultats montrent que même dans le cas optimal le profile Gaussien usuel d’un laser n’est pas optimal, principalement à cause de la diffraction du laser sur les bords à l’entrée du capillaire. Un profile Gaussien aplatit est donc suggéré pour supprimer cette diffraction et il est montré que dans ce cas les électrons peuvent être accélérés sur plus de 10 longueurs de Rayleigh. / The acceleration of an externally injected 10MeV electron bunch coming from a RF photoinjector in a high gradient electric field excited in a plasma by a high power laser is studied. In this thesis, the configuration of such an experiment is studied and start to end simulations are presented. As an ultrashort electron bunch (several femtoseconds) is required to maintain a low energy spread beam in the plasma, the 10MeV electron bunch coming from the photoinjector is compressed in two stages. The first stage is realized using a dogleg chicane which compresses the electron bunch to 69fs, the second stage is realized with velocity bunching in the plasma that further compresses the electron bunch to 3fs before efficient acceleration. The electron bunch is transversely focused with a solenoid before being injected into the plasma. A long cell is used to create a plasma starting several Rayleigh lengths before the laser focal plane, allowing the velocity bunching in the first part of the plasma and relaxing constraints on the transverse bunch size. The cell extends several Rayleigh lengths after the laser focal plane to suppress the angular divergence of the electron bunch. We demonstrate that the electron bunch at the exit of the plasma has an energy of more than one hundred MeV, with an emittance smaller than 1 µm, a charge greater than 7pC and a FWHM energy spread smaller than 1.5%. To extend the acceleration section, the guiding of the laser beam with a hollow dielectric capillary is studied, the results show that even in the best matching conditions, the usual laser Gaussian transverse profile is not optimum, mainly because of the diffraction of the laser on the edges at the entrance of the capillary, a flattened Gaussian laser profile is then suggested to suppress this diffraction and the electrons can be accelerated over more than ten Rayleigh lengths.

Tato práce se zabývá pokročilou technologií výroby personalizovaných kloubních implantátů metodou EBM za použití titanové slitiny Ti6Al4V-ELI a navrhuje nový unikátní design kolenního implantátu společně s metodologií jeho inserce, přičemž tato řešení jsou součástí patentové přihlášky č. PV 2020-459. Toto neinvazivní řešení náhrady kolenního kloubu je šetrnější k pacientovi, maximálně chrání jeho zdravé tkáně a kosti, navíc se dá předpokládat vyšší životnost implantátu ve srovnání s tradičními dostupnými řešeními. Byla uskutečněna výroba vzorků z materiálu Ti6Al4V-ELI metodou EBM, proveden rozbor jejich materiálových, mechanických, technologických a únavových vlastností. Dále byly popsány pokročilé metody zobrazování, úpravy a tvorby kloubních ploch a použity k vyvinutí nového designu personalizovaného kloubního implantátu společně s inovační technologií jeho inserce a nástroji potřebnými k její úspěšné realizaci. Toto nové řešení bylo úspěšně ověřeno mnoha testy i výrobou Ti6Al4V-ELI a CoCrMo prototypů implantátů metodou EBM. Proveditelnost a použití v praxi bylo konzultováno a schváleno odborníky v této oblasti.

Hypoeutectic Fe-C and Fe-C-Si model alloys were produced at different solidification conditions. Copper mold casting yields low cooling rates promoting the formation of a eutectic microstructure characterized by two morphologies: elongated cementite plates and a rod structure growing perpendicular to the plates, i.e. austenite rods in a cementite matrix. Electron beam surface remelting generates a mainly plate-like eutectic due to rapid solidification. The microstructures were characterized by light-optical microscopy and electron backscatter diffraction (EBSD). The latter allows for a spatially resolved investigation of the growth crystallography of the eutectic phases. Thereby, a possible existence of crystallographic orientations relationships between cementite and austenite within the plate-like eutectic was assessed experimentally. The eutectic phases were found to grow largely crystallographically independently. Moreover, ferrite and eutectic cementite within the decomposed eutectic microstructure comply frequently with the Bagaryatsky or the Pitsch-Petch orientation relationship. Complementary X-ray diffraction (XRD) analysis reveals a pronounced cementite {002} texture in the microstructure produced by mold casting. Characteristic changes in the lattice parameters indicate that as-cast cementite is non-stoichiometric.