Emissionsspektroskopische Diagnostik an Mikroplasmen zur Analyse von gasförmigen und flüssigen Proben

LE-DBD
Dissertation

Emissionsspektroskopische Diagnostik an Mikroplasmen zur Analyse von gasförmigen und flüssigen Proben

Die Untersuchung von Mikroplasmen mit emissionsspektroskopischer Methoden war Thema meiner Dissertation. Hier wurden zwei Typen an Mikroplasmen untersucht, die auch in der analytischen Chemie eingesetzt werden können. Einmal handelt es sich um Mikroholkathodenentladungen (MHCD), die für die Analyse von gasförmigen Proben eingesetzt werden können. Der zweite Plasmatyp ist die sogenannte LE-DBD (Liquid Electrode Dielectric Barrier Discharge) für die Untersuchung von flüssigen Proben.

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Charakterisierung einer miniaturisierten Entladung zur emissionsspektrometrischen Analyse flüssiger Proben

LE-DBD
Masterarbeit

Charakterisierung einer miniaturisierten Entladung zur emissionsspektrometrischen Analyse flüssiger Proben

In meiner Masterarbeit im Rahmen der Physikstudiums an der Ruhr-Universität Bochum habe ich mich mit miniaturisierten Plasmen für die chemische Analytik beschäftigt. Im speziellen war dies eine miniaturisierte dielektrisch behinderte Entladung mit einer flüssigen und einer metallischen Elektrode, der “Liquid electrode dielectric barrier discharge”. Hiermit ist es möglich, Metalle, die in der flüssigen Elektrode gelöst sind, mittels Emissionsspektroskopie qualitativ und quantitativ zu bestimmen. Die Masterarbeit wurde im Projektbereich Miniaturisierung des Leibniz-Instituts für Analytische Wissenschaften – ISAS – e.V  angefertigt.

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Der Einfluß der Ionisator-Geometrie auf die Signalkalibrierung eines Massenspektrometers

Bachelorarbeit

Der Einfluß der Ionisator-Geometrie auf die Signalkalibrierung eines Massenspektrometers

Meine Bachelorarbeit im Rahmen des Physikstudiums an der Ruhr-Universität Bochum habe ich 2008 in der AG Reaktive Plasmen, einer Arbeitsgruppe am Institut für Experimentalphysik II, angefertigt. In dieser Arbeit habe ich mich mit dem Problem der Signalkalibrierung eines Massenspektrometers mit inreaktiven Spezies beschäftigt und den Einfluß der Ionisator-Geometrie auf die Hintergrundteilchendichte mittels Monte-Carlo-Methoden simuliert.

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802 – Simulation einer Pierce-Diode

Im Gegensatz zu interstellaren Plasmen, die aufgrund ihrer Dimension über weite Bereiche als unbegrenzte Plasmen angesehen werden können, müssen bei technischen Plasmen die endlichen Abmessungen berücksichtigt werden. Die Begrenzungen des Plasmas führen dabei zu Veränderungen der Plasmadynamik. Ein einfaches thermionisches Entladungsmodell für begrenzte Plasmasysteme (Bounded Plasma Systems, BPS’s) wurde bereits 1944 von Pierce vorgeschlagen und erweiterte das Plasmaoszillationsmodell von Tonks und Langmuir (1929) um physikalisch motivierte Randbedingungen. Modellierung und Simulation von BPS stellen dabei einen wichtigen Beitrag für die quantitative Beschreibung von solchen Plasmasystemen dar, deren Ergebnisse für viele Plasmabereich relevant sind. Eine Übersicht über verschiedene mikroskopische BPS-Simulationen ist in Kuhn (1994) zu finden.

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406 – Absorptionsspektroskopie an molekularen Gasen

Innerhalb der Plasmaphysik sind die Bestimmung der Plasmaparameter wie Temperatur, Druck, Dichten, eingekoppelte Leistung und Zusammensetzungen u. a. wichtig für die Steuerung der Plasmaprozesse wie z. B. Beschichtung, Sputtering oder für das Verständnis der zugrundeliegenden Plasmachemie. Die Absorptionsspektroskopie stellt dabei, im Gegensatz zur Sondenmessung (z. B. Langmuir-Sonde), eine nicht-invasive Diagnostik dar – d. h. das Plasma wird durch die Diagnostik nicht oder nur geringfügig verändert. Bei der hier verwendeten Methode wird die Absorption in Abhängigkeit derWellenlänge entlang einer Linie durch den Probenraum – hier der Plasmareaktor –, in dem sich das zu diagnostizierende molekulare Gas (Methan) bzw. das Methanplasma befindet, bestimmt und erhält linienintegrierte Absorptionsprofile. Als Strahlungsquelle wird hierbei ein Diodenlaser im infraroten Spektralbereich (~ 1,648 µm) verwendet, da in diesem Bereich für Methan (CH4) vier stark absorbierende Linien vorliegen.

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405 – Massenspektrometrie in reaktiven Plasmen

Die Massenspektrometrie ist in der Plasmaphysik/-technik ein wichtiges Hilfsmittel, die in einem Plasma wirksamen Komponenten zu bestimmen. So ist es häufig der Fall, dass z. B. bei der Oberflächenbehandlung eines Wafers durchaus bekannt sein kann, welches Plasma (Mischverhältnis der beteiligten Gase, Druck, eingekoppelte Leistung) optimale Ergebnisse liefert, ohne eigentlich zu wissen, welche Radikale für die Wechselwirkung Plasma/Oberfläche genau verantwortlich sind. Hier liefert die Massenspektrometrie interessante Einsichten.

Ziel des heutigen Versuches ist es, zum einen die Hysterese eines reinen Ar-Plasmas zu beschreiben (CCP-, ICP-Mode), die Zusammensetzung einer unbekannten Gasmischung zu bestimmen sowie die Plasmazusammensetzung in Abhängigkeit der eingekoppelten Leistung zu ermitteln (Ar/O2– und CH4-Plasma).

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403 – Bestimmung von Anregungstemperaturen in einem Wasserstoffplasma

Die Bestimmung von Anregungstemperaturen stellt eine spektroskopische Möglichkeit dar, verschiedenste Plasmen zu charakterisieren. Dabei reicht das Einsatzgebiet dieser Diagnostik von der Charakterisierung von Laborplasmen (z. B. von Argonlichtbögen (Richter, 1965), Mikrowellen-Plasmen (Telgheder, 2005; Seelig, 2000) oder Plasma-Jets (Koike et al., 2004)) bis hin zu astronomischen Plasmen (z. B. von chromosphärischen Fackeln (Bachmann, 1968) oder Protuberanzen (ten Bruggencate, 1953)).

Im vorliegenden Versuch soll eine spektroskopische Charakterisierung eines Wasserstoff plasmas mittels der Anregungstemperaturen der Balmer-Linien vorgenommen werden. Zusätzlich soll die Strom-Spannungscharakteristik der Glimmentladung bestimmt und phänomenologisch die Entladung beschrieben werden.

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