Ein Ionenstrahl bezeichnet einen gerichteten Fluss beschleunigter Ionen, der typischerweise in elektrostatischen oder elektromagnetischen Feldern erzeugt und fokussiert wird. In den Werkstoffwissenschaften werden Ionenstrahlen genutzt, um Festkörper gezielt zu analysieren, zu strukturieren und in ihren Eigenschaften zu modifizieren.

Je nach Energie- und Stromdichte lassen sich unterschiedliche Wirkmechanismen unterscheiden: Bei niedrigen Energien dominieren Oberflächenprozesse wie Sputtern, Implantation und chemisch unterstützte Ätzung. Hochenergetische Ionen verursachen zusätzlich Verdrängungsschäden, Defektbildung, Phasenumwandlungen oder Amorphisierung im Volumen.

Fokussierte Ionenstrahlen (FIB, häufig Gallium‑Ionenstrahlen oder Plasma‑FIB auf Basis leichterer Ionen wie He oder Ne) erlauben nanoskaliges Fräsen, Querschnittspräparation für die Transmissionselektronenmikroskopie sowie die lokale Abscheidung oder Implantation. Die Kombination aus FIB und Rasterelektronenmikroskop (FIB‑SEM) ist heute ein zentrales Werkzeug für 3D-Mikrostrukturanalyse und site-spezifische Probenpräparation.

Neben der Präparation kommt der Ionenstrahl in der Ionenstrahlanalyse (RBS, ERD, NRA) zur quantitativen Bestimmung von Tiefenprofilen und chemischen Zusammensetzungen zum Einsatz. Weitere Anwendungen umfassen Ionenimplantation zur Dotierung von Halbleitern, Ionenstrahlmischung von Schichtsystemen sowie gezielte Defekt- und Spannungsengineering in Metallen, Keramiken und Funktionsschichten.