Plasmachemische Wechselwirkungsprozesse reaktiver Niederdruckentladungen in Sauerstoff mit Oberflächen ionenleitender Festkörper
Final Report Abstract
In dem Forschungsvorhaben mit dem Thema „Plasmachemische Wechselwirkungsprozesse reaktiver Niederdruckentladungen in Sauerstoff mit Oberflächen ionenleitender Festkörper" wurde mit Hilfe einer asymmetrischen, kapazitiv gekoppelten Hochfrequenzentladung (Anregungsfrequenz 13,56 MHz) in Sauerstoff die Wechselwirkung mit Yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) untersucht. YSZ stellt bei Temperaturen > 300°C einen lonenleiter für zweifach negativ geladene Sauerstoffionen dar. Dabei spielen Oberflächenprozesse wie die Adsorption des molekularen Sauerstoffs, anschließende Dissoziation und Bildung negativer Sauerstoffionen (O2- und O-) eine wesentliche Rolle. Bei der Wechselwirkung der YSZ-Oberfläche mit einem Sauerstoffplasma steht dabei zusätzlich atomarer Sauerstoff durch Dissoziationsprozesse im Plasma zur Verfügung. Insbesondere wurde der Einfluss des YSZ-Ionenleiters an der RF-Elektrode auf die Bildung negativer atomarer Sauerstoffionen erforscht. Die Analyse der negativen Ionen erfolgte durch lonenextraktion an der gegenüberliegenden Masseelektrode und energieselektiver Massenspektrometrie. Aufgrund ihrer kinetischen Energie, die die negativen Ionen in der RF-Plasmagrenzschicht gewinnen, konnten selektiv negative Ionen nachgewiesen werden, die unmittelbar an der YSZ-Oberfläche gebildet bzw. aus dem Kristall ausgetreten sind. Diese Ionen werden durch einen ausgeprägten Peak im hochenergetischen Teil der gemessenen lonenenergieverteilungsfunktion repräsentiert. Darüber hinaus wurde im ionenleitenden Zustand ein charakteristisches Zeitverhalten der lonenintensität unmittelbar nach Plasmazündung beobachtet, welches von der vorhergehenden Wechselwirkungszeit in einer neutralen molekularen Sauerstoffumgebung abhängt. Die anfänglich deutlich höhere lonenintensität fällt mit einer typischen Zeitkonstante zwischen 50 und 100 s ab und besitzt dann einen konstanten Wert. Dieses Zeitverhalten lässt auf einen diffusionsbestimmten Transport durch eine dünne oberflächennahe Schicht von etwa 100pm schließen. Zum Vergleich wurden weitere Elektrodenmaterialien (MgO, Quarz, Platin und Edelstahl) untersucht. Ein ähnliches Zeitverhalten, jedoch mit deutlich größerer Zeitkonstante, wurde lediglich bei Magnesiumoxid für Temperaturen >250°C gefunden. Ergänzend wurden axiale Profile der optischen Emission des angeregten atomaren Sauerstoffs gemessen. Dabei zeigte sich bei der YSZ-Elektrode eine Verändemng des axialen Profils im Bereich der RF-Plasmagrenzschicht im Vergleich zwischen ionenleitenden und nicht-ionenleitenden Zustand, d.h. dass die Plasmagrenzschicht durch die ionenleitende YSZ-Elektrode beeinflusst wurde. Weitere Untersuchungen sind hierzu notwendig.
Publications
- 19th European Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (ESCAMPIG), Granada (Spain), July 15-19, 2008, Negative Ion Formation on Yttria-stabilized Zirconia in Oxygen RF Plasma
C. Hatrath, H. Testrich und J. Meichsner
- DPG Frühjahrstagung Plasmaphysik, Darmstadt, 10.-14. März 2008, Bildung negativer Sauerstoffionen an Yttrium stabilisierten Zirkonoxidoberflächen in asymmetrischen RF-Sauerstoffplasmen (CCP.)
C. Hatrath, H. Testrich und J. Meichsner
- Negative Ion Formation on Yttria-stabilized Zirconia in Oxygen RF Plasma. Conference Proceedings, 2 pages, 19th European Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gase (ESCAMPIG) 2008, Granada (Spain), July 15-19, 2008
Claudia Hatrath, Holger Testrich and Jürgen Meichsner
- DPG Frühjahrstagung Plasmaphysik, Greifswald, 30. März - 3. April 2009, Plasmadiagnostische Untersuchungen an einer RF Sauerstoffentladung (CCP) mit YSZ (Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid) Elektrode
Frank Wienholtz, Holger Testrich und Jürgen Meichsner
- XVI. Workshop „Oberflächentechnologien mit Plasma- und lonenstrahlprozessen" Mühlleithen, 10.-12. März 2009, Wechselwirkung eines Sauerstoffplasmas mit einem Sauerstoffionenleiter (YSZ)
F. Wienholtz. H. Testrich und J. Meichsner
