Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2007. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 162-169).

Thesis (Ph.D.); Submitted to the Univ. of New Mexico, Albuquerque, NM (US); 20 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "LA-14197-T" A. Ayala. 12/20/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

The goal of radiation therapy is to eradicate tumour cells while minimising radiation dose to healthy tissues. Ions including protons and carbon ions have gained increasing interest for cancer treatment. Advantages of ion beam therapy are conformal dose distribution, and for ions heavier than protons increased biological effectiveness in cell killing, compared to conventional radiation therapy using photons. Despite these advantages, fundamental problems in ion beam therapy include accuracy of dose determination at the cellular level, and characterisation of the radiation quality at the microscopic scale. Due to the high density of interactions along ion tracks, inhomogeneity of dose and track parameters at the cellular level is one of the major concerns for ion beam therapy. The aim of the thesis is to develop computational tools for dosimetry of ion tracks at the molecular level. Event-by-event Monte Carlo track structure (MCTS) simulations were developed for full-slowing-down tracks of protons and carbon ions in water representing cellular environment. In Paper I, the extension of the MCTS code KURBUC_proton was carried out to energies up to 300 MeV, covering the entire proton energy range used in radiation therapy. Physical properties and microdosimetry of proton tracks were investigated and benchmarked with the experimental data. Papers II-V describe the development of the MCTS code for full-slowing-down tracks of carbon ions. In Papers II-IV, the classical trajectory Monte Carlo (CTMC) model was developed for the calculation of interaction cross sections for low and intermediate energy carbon projectiles of all charge states (C0 to C6+) in water. In Paper V, the calculated cross sections were implemented in a new MCTS code KURBUC_carbon simulating carbon ions of energies 1-104 keV/u in water. This development allows the investigation of track parameters in the Bragg peak region of carbon ion beams. Publication of the thesis and the published papers make contribution to the physics of ion interactions in matter, and provide a new and complete database of electronic interaction cross sections for low and intermediate energy carbon projectiles of all charge states in water. The MCTS codes for protons and carbon ions provide new tools for biophysical study, including microdosimetry, of ion tracks at cellular and subcellular levels, in particular in the Bragg peak region of these ions. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 4: Submitted. Paper 5: Submitted.</p><p> </p>

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung von Silizium- und Germanium-Nanodrähten. Diese Strukturen gelten als aussichtsreiche Komponenten für zukünftige Bauelemente. Für die Anwendung ist die genaue Kenntnis der Größe, der kristallographischen Orientierung und der Position der Nanodrähte erforderlich. Ziel dieser Arbeit war daher die Untersuchung von Si- und Ge-Nanodrähten im Hinblick auf ihre Größe, Orientierung und Position. Die Herstellung erfolgte durch Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) im Ultrahochvakuum nach dem Vapor-Liquid-Solid (VLS)-Verfahren, das auf dem Wachstum aus Lösungsmitteltröpfchen basiert. Die Größe der Nanodrähte konnte im Falle von Silizium auf Si(111) mit Gold als Lösungsmittel durch die Parameter des Experiments reproduzierbar bestimmt werden. Höhere Goldbedeckung und höhere Substrattemperaturen führten zu Tröpfchen mit größerem Duchmesser und somit zu dickeren Drähten. Längere Si-Verdampfungszeiten und höhere Si-Verdampfungsraten führten zu längeren Drähten. Dünnere Drähte wuchsen schneller als dickere. Als zweites Lösungsmittel wurde Indium untersucht, da es sich im Vergleich zu Gold nicht nachteilig auf die elektronischen Eigenschaften von Silizium auswirkt. Basierend auf den Ergebnissen zur Tröpfchenbildung konnten die besseren Wachstumsresultate mit Gold erklärt werden. Germanium-Nanodrähte, die aus Goldtröpfchen auf Ge(111) gezüchtet wurden, zeigten im Gegensatz zu den Si-Nanodrähten nicht die kristallographische [111]-Orientierung des Substrates, sondern eine -Orientierung, was durch Berechnungen von Keimbildungsenergien auf verschiedenen Kristallflächen erklärt werden konnte. Zur Anordnung von Metalltröpfchen und damit von Nanodrähten wurden Substrate mithilfe von fokussierten Ionenstrahlen (FIB) vorstrukturiert, um die Tröpfchenbildung an bestimmten Stellen zu begünstigen. Es gelang, aus angeordneten Goldtröpfchen epitaktisch gewachsene Si- und Ge-Nanodrähte zu züchten. / This dissertation deals with the growth and the characterization of silicon and germanium nanowhiskers, also called nanorods or nanowires. The investigation of these structures is of great interest as they represent promising building blocks for future electronic devices. With regard to a possible application, the knowledge of size, crystallographic orientation and position of the nanowhiskers is essential. The purpose of this work was, therefore, to investigate the growth of Si and Ge nanowhiskers with regard to their size, orientation and position. The nanowhiskers were grown via physical vapor deposition (PVD) in ultra-high vacuum using the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism which is based on growth from solution droplets. The size of the nanowhiskers could be reproducibly determined by the experimental parameters in the case of Si nanowhiskers on Si(111) with gold as the solvent. A higher gold coverage as well as a higher substrate temperature led to larger droplet diameters and thus to thicker whiskers. A longer silicon evaporation time and a higher silicon rate led to longer whiskers. Thinner whiskers grew faster than thicker ones. A second material used as the solvent was indium as it is more suitable for electronic application compared to gold. Based on results of droplet formation of the two solvents on silicon, the better results of whisker growth using gold could be explained. Ge nanowhiskers grown from gold droplets on Ge(111) did not show the [111] orientation of the substrate as in the case of Si nanowhiskers on Si(111) but a orientation. By calculating nucleation energies on different crystal facets, the experimental findings could be explained. To position nanodroplets of the solvent material and thus to obtain a regular arrangement of nanowhiskers, substrates were pre-structured with nanopores by focused ion beams (FIB). Silicon and germanium nanowhiskers could be epitaxially grown from ordered arrays of gold droplets.

Une extension de la surface de masses atomiques dans la région A ≈ 100 est présentée par l’intermédiaire des mesures de masse des isotopes 100-102Sr et 100-102Rb. Les mesures ont été effectuées avec le spectromètre de masse ISOLTRAP constitué de différents pièges à ions. Les premières mesures directes des masses des 100-102Sr et du 100-102Rb sont rapportées ici. Ces mesures confirment la continuité de la région de déformation nucléaire avec l’augmentation du nombre de neutrons jusqu’à N = 65.De sorte à interpréter la déformation dans la chaine isotopique du strontium et à déterminer si une déformation peut apparaitre pour des isotopes de krypton plus lourds, une comparaison est faite entre les données expérimentales et des résultats de calculs théoriques disponibles dans la littérature. Pour compléter ces comparaisons, des calculs Hartree-Fock-Bogoliubov pour des isotopes pairs et impairs sont aussi présentés, illustrant la compétition entre formes nucléaires dans la région.Le développement d’une source d’ions à ionisation par électro nébuliseur est présenté. Cette source peut produire un large panel de masses isobariques destinées à la calibration. La première mise en service de la source est présentée, incluant les résultats des premiers balayages en masse détectés derrière le spectromètre de masse quadripolaire. Une résolution de quelques unités de masses atomiques a été atteinte. / An extension of the atomic mass surface in the region A ≈ 100 is performed via massmeasurements of the 100-102Sr and 100-102Rb isotopes with the ion-trap mass spectrometer ISOLTRAPat CERN-ISOLDE. The first direct mass measurements of 102Sr and 101;102Rb are reported here. Thesemeasurements confirm the continuation of the region of nuclear deformation with the increase of neutronnumber, at least as far as N = 65.In order to interpret the deformation in the strontium isotopic chain and to determine whether an onsetof deformation is present in heavier krypton isotopes, a comparison is made between experimentalvalues and theoretical calculations available in the literature. To complete this comparison, Hartree-Fock-Bogoliubov calculations for even and odd isotopes are also presented, illustrating the competitionof nuclear shapes in the region.The development of an electrospray ionization ion source is presented. This source can delivera large range of isobaric masses for calibration purposes. The early commissioning of the sourceis discussed, including the results from the first mass scans detected behind the quadrupole massspectrometer. A resolution of a few atomic mass units is reached.

Thesis (Ph.D.); Submitted to the Univ. of California, Berkeley, CA (US); 24 Nov 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "UCRL-TH-208645" Allen, M. 11/24/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen sehr elementaren chemische Reaktionen in der Gasphase: Elektron-Transfer Prozesse oder die Uebertragung eines einzelnen Protons. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der Reaktions-Dynamik, die sich in der Energie- und Winkelverteilung der Produkte aeussert. Neben einer schon vorhandenen Guided-Ion-Beam Apparatur, in der ein durch elektrische Hochfrequenzfelder gefuehrter Ionenstrahl mit dem Neutralgas in einer Streukammer wechselwirkt, wurde fuer die Untersuchungen eine neu aufgebaute Apparatur TITAP (Transverse Ion Trap APparatus) verwendet, in der unter Verwendung eines 22Pol Ionen-Speichers ein Streuexperiment zwischen einem Molekularstrahl von Neutralteilchen und einem stationaeren Ionentarget realisiert wird. Die Aussagen der Experimente in beiden Apparaturen ergaenzen sich dabei. Als Beispiel fuer einen Protonen bzw. Deuteronenaustausch wurden fuer die sehr fundamentale Reaktion H- + D2 -> D- + HD und ihre isotopische Variante D- + H2 -> H- + HD integrale und differentielle Querschnitte bestimmt. In guter Uebereinstimmung mit Ergebnissen einer Kreuzstrahlapparatur zeigt die Reaktion eine ausgepraegte Vorwaertsstreuung bei kleinen Stossenergien. Fuer den Elektron-Transfer konnten sowohl in einfachen dreiatomigen Systemen (Ar+ + N2, Ar+ + D2) wie auch in Reaktionen von Edelgas-Ionen mit Kohlenwasserstoffen (Ethan, Propan) Translationsexoergizitaeten bei kleinen Stossenergien (<= 1eV) bestimmt werden. Im Fall der Kohlenwasserstoffe zeigt sich bei Variation der Stossenergie im Bereich 100meV bis 5 eV nur eine geringe Aenderung der Verzweigungsverhaeltnisse fuer die entstehenden unterschiedlichen Fragmente. Die Empfindlichkeit der Speichertechnik fuer sehr langsam ablaufende Prozesse wurde am Beispiel der Feinstruktur-Relaxation von Argon-Ionen in Stoessen mit Helium bei tiefen Temperaturen gezeigt. Die neue Apparatur hat aber noch grosse Vorzuege fuer weitere geplante Projekte, wie die Untersuchung von Reaktionen mit Radikalen (Wasserstoff-, Stickstoff-, Kohlenstoffatomen) oder Elektron-Ion Rekombination.

L’intégration de semiconducteurs III-V à gap direct sur silicium est un enjeu de taille pour le développement de l’optoélectronique. En effet, si le silicium est aujourd’hui à la base de la microélectronique, la nature indirecte de son gap en fait un très mauvais émetteur de lumière. Parmi les matériaux candidats à l’intégration, l’In(Ga)As présente l’avantage d’un gap direct plus faible que le silicium, favorisant un comportement de puits de potentiel pour les paires électrons-trous. En revanche, le fort désaccord paramétrique entre les deux matériaux fait de la croissance épitaxiale d’In(Ga)As sur silicium un sérieux défi pour le physicien. Cette thèse est focalisée sur l’étude par faisceaux d’ions de boîtes quantiques (BQs) d’In(Ga)As épitaxiées sur silicium et de leur encapsulation ultérieure par du silicium. L’analyse par rétrodiffusion élastique à haute énergie (RBS) a permis de quantifier la composition des îlots d’In(Ga)As et de la couche cap de Si. Des phénomènes d’exo-diffusion d’indium et la présence d’espèces en excès ont été mis en évidence. En pratiquant l’analyse en géométrie de canalisation (RBS-C), nous avons pu caractériser l’épitaxie des BQs sur le substrat ainsi que celle de la couche cap. La deuxième technique utilisée dans ce travail est l’analyse par rétrodiffusion élastique à moyenne énergie (MEIS), qui permet de profiler composition, défauts cristallins, et déformation avec une résolution sub-nanométrique au voisinage de la surface de la cible. Les spectres MEIS en modes aléatoire et canalisé ont permis d’obtenir le profil de composition et de défauts du plan de BQs. Enfin, la déformation du cristal d’In(Ga)As par rapport au monocristal de silicium du substrat a été étudiée grâce à l’effet de blocage du flux d’ions rétrodiffusés qui permet d’observer les ombres des axes et des plans cristallographiques. / The integration on silicon of direct band gap materials such as some semiconductors from the III-V group is of a rising interest for tomorrow's optoelectronic devices. Although silicon is the raw material for many microelectronic devices, it has a poor light emitting efficiency due to his indirect band gap. Among the III-V family, the In(Ga)As compounds present the advantage of a smaller band gap than silicon, which encourage the confinement of electron-hole pairs. However, the large lattice mismatch between silicon and In(Ga)As is a serious limitation for the epitaxial integration. This PhD work has been focused on the ion beam study of In(Ga)As quantum dots (QDs) grown by epitaxy on silicon and of the QD capping by silicon. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) has been used to quantify composition of both QDs and cap layer. Exo-diffusion and excess issues of some elements have been pointed out. The epitaxial relation between QDs and substrate have been investigated by ion channelling (RBS-C). Medium Energy Ion Scattering (MEIS) has also been used to obtain high resolution profiles of composition, defects and strain for both the QD plane and the capping layer. Direct space mapping of both crystals has also been achieved by MEIS thanks to the blocking effect.

Thesis (Ph.D.); Submitted to the UNIVERSITY OF CALIFORNIA, BERKELEY, CA (US); 9 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "LBNL--56744" Guo, Fanqing. USDOE Director. Office of Science. Office of Nuclear Physics (US) 12/09/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

This diploma thesis deals with analysis and modification of thin layers using ion beams. The first part of this diploma thesis deals with phenomena accompanying ion beam bombardment of solid matter. The second part of this diploma thesis is concerned with Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS) and Low Energy Ion Scattering (LAIS). This work convey some basic information about these two techniques and it also deals with some benefits result in their connection into parallel depth profiling mode (such as better depth resolution of the LEIS profile, quantification of the SIMS). These benefits are demonstrated on MoSi film measurement. Within the framework of this thesis a new UHV manipulator was designed. This new UHV manipulator is equipped with precise stepper UHV motor and since the proportions are smaller, the manipulation with a sample in a space limited UHV chamber is much more comfortable and more precise. The third part of this diploma thesis deals with ion-beam induced transformation of epitaxially grown Fe films with thickness of 22 monolayer (ML) and 44 ML on Cu(100) single crystal at room temperature. Metastable Fe films of 22 ML thickness were prepared in CO pressure and 44 ML Fe films were prepared by co-evaporation of Fe with Fe64Ni36 (invar). Structural changes are analyzed by scanning tunneling microscopy and low-energy electron diffraction. The aim of this thesis is to discuss the influence of the sputtering parameters such as ion dose and ion energy on the nucleation of bcc nanocrystals, their growth, final shape and size. The influence of different Ni concentration on stability of 44 ML thick Fe films is also discussed.