Quantitative Spektroskopie und Reaktionskinetik reaktiver Spezies im Plasma mittels optischer Frequenzkamm-Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich (SKPlaF)

• Antragsteller: Dr. Ibrahim Sadiek, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499280974

Der Erfolg, plasmagestützte Prozesse, wie das Nitrocarburieren (PNC) zu modellieren, zu steuern und damit zu optimieren, hängt stark von der Kenntnis der absoluten Konzentrationen und Temperaturen der reaktiven Spezies im Plasma und ihrer Reaktionskinetik ab. Das PNC ist eine wachsende Technologie einer umweltfreundlichen Alternative für eine Verbesserung der Härte und Ermüdungsfestigkeit von Metallen durch die Diffusion von reaktivem Stickstoff und Kohlenstoff in Metalloberflächen. Ein großer Bedarf an derart modifizierten Bauteilen besteht u.a. in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Zur Analyse des PNC mit Hilfe der Laserabsorptionsspektroskopie (LAS) wurden bislang Dauerstrichlaser (cw) eingesetzt. Die LAS ist nicht invasiv und liefert absolute Konzentrationen von Prozessspezies. Die geringe spektrale Bandbreite dieser cw-Laser schränkt jedoch die Zahl der nachweisbaren Moleküle ein und bildet somit eine Hürde für die vollständige Charakterisierung der Plasmazusammensetzung. Optische Frequenzkämme als Laserquelle bieten hier eine Alternative. Aufgrund der vergleichsweise hohen spektralen Bandbreite können Konzentrationen von Dutzenden Spezies gleichzeitig erfasst und damit die elementare Kinetik aufgeklärt werden.Ziel des Projekts ist die Entwicklung und Erprobung von zwei geeigneten Detektionsmethoden eines Frequenzkammes im mittleren Infrarotbereich für die hochempfindliche Multispezies-Detektion in PNC-Prozessen. Konkret: (i) ein Fourier-Transformations-Spektrometer, das eine Erfassung aller Absorptionen der vorherrschenden C-H- und N-H-haltigen Spezies (z. B. CH4, C2H2, HCN, und NH3) innerhalb der Kamm-Bandbreite vollständig ermöglicht, und (ii) ein so genanntes Virtually Imaged Phased Array (VIPA)-Spektrometer, welches eine Zeitauflösung von Mikrosekunden für kinetische Messungen von flüchtigen Radikalen (z. B. CH3, CH2, NH, und NH2) erlaubt. Mit der Implementierung eines optischen Resonators soll das VIPA-Spektrometers weiterentwickelt werden, um die Nachweisempfindlichkeit für Radikale um mindestens vier Größenordnungen zu erhöhen. Darüber hinaus wird beabsichtigt, die komplexe Chemie von Cyanwasserstoff (HCN) aufgrund seiner Rolle auch in anderen kohlenstoff-, stickstoff- und wasserstoffhaltigen Plasmen aufzuklären. Besonderes Augenmerk wird auf die Isomerisierung zum reaktiveren Isocyanid-Isomer HNC gelegt, von dem angenommen wird, dass es aufgrund seiner Reaktivität die Plasmaeigenschaften beeinflusst. Über die Bestimmung von Konzentrationsprofilen während des PNC in Abhängigkeit von Gaszusammensetzung und Plasmaleistung sowie einem Vergleich mit einem kinetischen Modell sollen bisher fehlende elementare [H,C,N]-Mechanismen postuliert und validiert werden. Perspektivisch beschränken sich die in diesem Projekt zu entwickelnden Methoden nicht auf die Untersuchung von Plasmen. So werden auch Charakterisierungen komplexer Gasmatrizen beispielsweise in der Aerosolchemie durch den Einsatz von Frequenzkämmen umfänglich ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen