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Plasmachemische Prozesse

Der Forschungsschwerpunkt "Plasmachemische Prozesse" konzentriert sich auf die Physik und Chemie reaktiver Plasmen und erarbeitet Ansätze und Methoden zur Steuerung plasmachemischer Prozesse.  Dazu werden die Zusammensetzung verschiedenster Plasmen, d.h. die Konzentrationen der geladenen und ungeladenen Plasmabestandteile, die energetischen Verhältnisse im Plasma, die dem Plasma entweichende Strahlung sowie die Wechselwirkung der Plasmen mit den sie begrenzenden Oberflächen analysiert. Dazu stehen modernste Methoden der Infrarot-Absorptionsspektroskopie zur Verfügung, die eine sehr empfindliche Bestimmung der Konzentration von Molekülen in Plasmen darstellt und auch deren Kinetik miterfassen kann. Diagnostische Arbeiten werden durch Modellierungen ergänzt und erfolgen in enger Kooperation mit Partnern in Wissenschaft und Industrie. Hierbei steht die Entwicklung neuer Methoden zur Steuerung von Plasmen für die Oberflächenbehandlung oder die plasmachemische Stoffwandlung im Vordergrund.


Anwendungsfelder

Reaktive Plasmen stellen eines der wichtigsten Arbeitsmittel in der Industrie dar. Vor allem für die Aktivierung, Reinigung, Beschichtung und das Ätzen sind Plasmaverfahren Stand der Technik. Der schonende Umgang mit Ressourcen und die Einhaltung von immer weiter steigenden Qualitätsanforderungen sind aus ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten notwendig und erfordern Aktivitäten in Forschung und Entwicklung. Durch die Messung der Konzentration wichtiger Plasmabestandteile, wie z.B. Radikale oder stabile Nebenprodukte sowie die Erfassung ihres zeitlichen Verhaltens können Aussagen über die dominanten Vorgänge, z.B. bei der Schichtabscheidung oder beim Ätzen getroffen werden. Durch das Monitoring von Schlüsselspezies, die aufgrund ihrer hohen Reaktivität sehr kurzlebig und in kleinen Konzentrationen auftreten, erhält der Anwender ein uniques Werkzeug zur Steuerung von Plasmen, mit dem der Prozess optimiert und die Behandlungsergebnisse reproduzierbarer werden. Dieser Ansatz konnte bereits in der Halbleiterindustrie erfolgreich umgesetzt werden.

Das Plasmanitrierverfahren ist eines der wichtigsten Verfahren zur Vermittlung einer höheren Oberflächenhärte von Werkstücken. Die höhere Oberflächenhärte erhöht den Widerstand gegen abrasiven, adhäsiven und korrosiven Verschleiß dieser Bauteile. Gemeinsam mit dem Partner TU Bergakademie Freiberg wird am INP ein neues Verfahren zum Nitrieren erarbeitet, das die Nachteile der bestehenden Technologie überwinden soll. Das sog. Active Screen Plasma Nitriding vermeidet durch ein innovatives Prozessdesign Effekte (Hohlkathodeneffekt, Bogenbildung, Randeffekte), die zu einer inhomogenen Bearbeitung des Werkstückes führen, z.B. durch lokales Aufschmelzen oder Sputtern. Das INP erarbeitet für dieses Verfahren eine neue Prozesskontrolle basierend auf der Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie, die mit der elektrischen Leistungsversorgung gekoppelt wird. Die wesentliche Leitspezies in diesem Prozess konnte bereits identifiziert werden. Ihre Konzentration stellt einen Kontrollparameter dar, der eine aktive Anpassung der Prozessbedingungen und damit die Optimierung des Härtungsprozesses ermöglicht.  

Der Nachweis von Gasen in sehr geringer Konzentration mit hoher Genauigkeit ist zum Beispiel wichtig in der Medizin, beim Umweltschutz, in der Sicherheitstechnik und in vielen anderen Bereichen. Im Gegensatz zu anderen Messmethoden in Speziallaboren hat die Analyse von Spurengasen mittels Laserabsorptionsspektroskopie viele Vorteile wie z. B. geringe Messzeiten und niedrige Nachweisgrenzen. Dabei liefert sie auch noch eindeutige Messergebnisse ohne störende Querempfindlichkeiten. Zur Realisierung hoher Empfindlichkeiten bis hinunter in den ppt-Bereich werden am INP Methoden eingesetzt, die moderne Infrarot-Laserlichtquellen und optische Resonatoren kombinieren. Nach erfolgreicher Validierung dieser Technologie für die Eignung, kompakte, transportable, ultrasensitive Mehrkomponenten-Spurengassensoren bereitzustellen, wird aktuell am INP im Rahmen eines Transferprojektes darauf basierend ein Prototyp entwickelt.

Atmosphärendruckplasmen nehmen in ihrer Bedeutung weiter zu und sind dabei, sich neue Anwendungsfelder zu erschließen, wie z.B. die Plasmasynthese, Plasmamedizin oder Dekontamination. Jedoch ist es aufgrund ihrer Eigenschaften schwierig, Aussagen über ihre Zusammensetzung und weitere wichtige Plasmaparameter zu treffen. Klassische Verfahren der Plasmadiagnostik sind aufgrund der hohen Dichte, die hohe Stoßraten und kurze Lebensdauern zur Folge haben, nicht oder nur begrenzt anwendbar. Moderne Verfahren der Bildgebung und Spektroskopie (z.B. Streakkamera, zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung) geben die Möglichkeit, den elektrischen Durchbruch zu analysieren und Aussagen über die elektrische Feldstärke zu treffen. Hier können wichtige Beiträge zur Auslegung und Steuerung dieser Quellen geleistet werden. Des Weiteren gelang in Kooperation mit der Universität Oxford durch die Methode der Optical Feedback Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy erstmalig die Detektion des Hydroperoxyl-Radikals im Effluenten eines nicht-thermischen Argon-Plasmajet an Luft. Diese Methode stellt die notwendige hohe Empfindlichkeit für die Detektion reaktiver, kurzlebiger Spezies zur Verfügung und soll daher zukünftig weiter ausgebaut werden, um bei der Aufklärung der Wirkmechanismen zu helfen und Ansätze für eine Prozesskontrolle erarbeiten zu können.


Projektthemen

Im Rahmen des von der DFG geförderten Projektes „Entwicklung neuer plasmagestützter Verfahren für thermochemische Randschichtbehandlungen von Eisenwerkstoffen mit einem Aktivgitter aus Kohlenstoff“ sollen in Zusammenarbeit mit der TU Bergakademie Freiberg die Grundlagen für die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Randschichtbehandlung von Eisenwerkstoffen mit einem Aktivgitter aus kohlenstoffverstärktem Kohlenstoff (CFC) gelegt werden. Ziel des Projektes ist es, die wesentlichen Wirkmechanismen dieser Plasmadiffusionsbehandlung in verschiedenen Medien, besonders kohlenstoffhaltigen Medien, zu erforschen. Zu diesem Zweck erfolgen sowohl an einem Laborreaktor im INP als auch an einer industrienahen Anlage der TU Freiberg IR-absorptions- und optische emissionsspektroskopische Untersuchungen, um die plasmachemischen Reaktionen in Zusammenhang mit den erzielten Behandlungsergebnissen zu analysieren und Regelparameter für die kontrollierte Erzeugung carburierter und nitrocarburierter Randschichten mit definierten Eigenschaften sowie für eine sichere Prozessführung abzuleiten.

Projektleiter:
Prof. Jürgen Röpcke
Tel.: +49 3834 - 554 444
roepcke@inp-greifswald.de

Ziel dieses Teilprojektes im Rahmen des Sonderforschungsbereiches „Fundamentals of Complex Plasmas“ ist die Untersuchung der grundlegenden Kinetik von transienten Spezies in Nicht-Gleichgewichtsplasmen und deren Interaktion mit Oberflächen. Auf der Grundlage von Messungen mit Methoden der Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie zu relevanten Plasmaparametern, wie die absolute Konzentration von Radikalen und stabilen Molekülen können Fragestellungen zu den komplexen chemischen Reaktionen analysiert und beantwortet werden. Im Fokus der Untersuchungen stehen sowohl typische Niederdruck-Plasmen, wie z. B. Mikrowellen- und RF-Plasmen, als auch DBD-Entladungen bei Atmosphärendruck. Neben dem quantitativen Nachweis von transienten Spezies im Plasmabulk mittels resonatorbasierter Laserabsorptionsspektroskopie werden mit Hilfe von evanescent waves Techniken deren Interaktion mit Festkörperoberflächen im Plasma, wie Adsorption und Desorption untersucht. Die Ergebnisse fließen in theoretische Modelle zu molekularen Plasmen ein, um ein vertieftes Verständnis der Plasmachemie und der Wechselwirkung von transienten Spezies mit Oberflächen zu erreichen.

Projektleiter:
Prof. Jürgen Röpcke
Tel.: +49 3834 - 554 444
roepckeinp-greifswaldde

Im Rahmen des von der AiF geförderten Verbundprojektes „Einsatz einer Plasmafackel zur Herstellung von hochreinen Gruppe III-Nitrid-Halbleiter-Targets“ wird in Kooperation mit dem IKZ in Berlin und 4 industriellen Partnern an der Entwicklung einer mikrowellengestützten Dickschicht-Plasmaabscheidungsanlage und einer Abscheidetechnologie für AlN-Targets gearbeitet. Ziel ist es, auf dieser Technologie basierend zukünftig AlN Targets großer Dicke auch kostengünstig herstellen zu können. Als herausragendes Merkmal wird die Dickschicht-Plasmaabscheidungsanlage über ein optisches Messsystem verfügen, das es gestattet, die Temperaturverteilung und die Art der gasförmigen Spezies in der Plasmafackel zu analysieren und aus diesen Datensätzen Regelparameter für die Prozessführung abzuleiten. Dazu werden am INP u. a. sowohl mit optischer Emissionsspektroskopie als auch mit IR-Absorptionsspektroskopie grundlegende Korrelationsstudien durchgeführt, um plasmabasierte Kontrollparameter zu identifizieren und zu quantifizieren.

Projektleiter:
Dr. Mario Hannemann
Tel.: +49(0) 3834 554 3856
hannemanninp-greifswaldde

Das Ziel des von der Leibniz-Gemeinschaft geförderten Transfervorhabens ist die wirtschaftliche Verwertung des im INP Greifswald vorhandenen Wissens hinsichtlich der Quantenkaskadenlaser-Mittelinfrarot-Cavity-Enhanced-Absorptionsspektroskopie (QCL-MIR-CEAS). Dabei handelt es sich um ein Verfahren der Spurengasdetektion, das sich moderner Infrarot-Laserlichtquellen und optischer Resonatoren zur Empfindlichkeitssteigerung bedient. Mit der im Rahmen des Projektes geplanten Entwicklung des Prototyps eines kompakten, transportablen, ultrasensitiven Mehrkomponenten-Spurengassensors auf der Basis der QCL-MIR-CEAS-Technologie wird eine neue Geräteklasse für Forschung und Industrie geschaffen. Das System wird in unterschiedlichen Einsatzszenarien der molekularen hochsensitiven Spurengasdetektion einsetzbar sein, die Nachweisgrenzen bis in den ppt-Bereich erfordern. Dazu gehören beispielsweise die Überwachung von technologischen Prozessen, das Monitoring von Schadstoffemissionen, die Atemgasanalyse und die Detektion gefährlicher Substanzen.

Projektleiter:
Dr. Jean-Pierre van Helden
Tel.: +49(0) 3834 554 3811
jean-pierre.vanheldeninp-greifswaldde

In diesem DFG-geförderten Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem LAPLACE an der Universität Toulouse (Frankreich) die Entwicklung und Ausbildung von nicht-thermischen Atmosphärendruckplasmen für Oberflächenbeschichtungsanwendungen untersucht. Plasmen bei Atmosphärendruck, wie z.B. die dielektrisch behinderte Entladung bilden in der Regel ein nicht uniformes Plasma aus, was in inhomogenen Beschichtungsergebnissen resultieren kann. Insbesondere in Gasatmosphären mit Precursormolekülen fehlt es bislang an einem Verständnis der Entladungsphysik. Im Umkehrschluss führt eine Veränderung der Oberflächeneigenschaften im Beschichtungsprozess zu einer Veränderung der Plasmaparameter. Somit ist die Steuerung der Prozesse insbesondere bei hohen Leistungen noch immer schwierig. Im Projekt sollen die unterschiedlichen Entladungsregime (Einzelfilamente, selbstorganisierte Strukturen in sog. patterned discharges, diffuse Entladungen)  unter prozessrelevanten Betriebsbedingungen mittels systematisch etablierter elektrischer, optischer und spektroskopischer Methoden untersucht werden. Es soll erarbeitet werden, welche Mechanismen und Oberflächeneigenschaften für die Kontrolle der Plasmaparameter und die Strukturbildung in den Gasentladungen verantwortlich sind.

Projektleiter:
Prof. Dr. Ronny Brandenburg
Tel.: +49 3834 - 554 3818
brandenburg@inp-greifswald.de


Publikationen

Hamann, S.; Burlacov, I.; Spies, H.-J.; Biermann, H.; Röpcke, J.:
Spectroscopic investigations of plasma nitriding processes: A comparative study using steel and carbon as active screen materials
DOI: 10.1063/1.4980039, J. Appl. Phys. 121 (2017), p. 153301

Lang, N.; Macherius, U.; Wiese, M.; Zimmermann, H.; Röpcke, J.; van Helden, J.-H.:
Sensitive CH4 detection applying quantum cascade laser based optical feedback cavity-enhanced absorption spectroscopy  
DOI: 10.1364/OE.24.00A536, Opt. Express 24 (2016), p. 257529 

Gianella, M.; Reuter, S.; Lawry Aguila, A.; Ritchie, G.-A.-D.; van Helden, J.-P.:
Detection of HO2 in an atmospheric pressure plasma jet using optical feedback cavity-enhanced absorption spectroscopy 
DOI: 10.1088/1367-2630/18/11/113027, New J. Phys. 18 (2016), p. 113027 

Nave, A.-S.-C.; Baudrillart, B.; Hamann, S.; Bénédic, F.; Lombardi, G.; Gicquel, A.; van Helden, J.-H.; Röpcke, J.:
Spectroscopic study of low pressure, low temperature H2-CH4-CO2 microwave plasmas used for large area deposition of nanocrystalline diamond films. Part II: on plasma chemical processes 
DOI: 10.1088/0963-0252/25/6/065003, Plasma Sources Sci. Technol. 25 (2016), p. 065003  

Nave, A.-S.-C.; Baudrillart, B.; Hamann, S.; Bénédic, F.; Lombardi, G.; Gicquel, A.; van Helden, J.-H.; Röpcke, J.:
Spectroscopic study of low pressure, low temperature H2-CH4-CO2 microwave plasmas used for large area deposition of nanocrystalline diamond films. Part I: on temperature determination and energetic aspects 
DOI: 10.1088/0963-0252/25/6/065002, Plasma Sources Sci. Technol. 25 (2016), p. 065002 

Brandenburg, R.:
Dielectric barrier discharges: progress on plasma sources and on the understanding of regimes and single filaments
DOI: 10.1088/1361-6595/aa6426, Plasma Sources Sci. Technol. 26 (2017), p. 053001

Kontakt

Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.
Felix-Hausdorff-Str. 2
17489 Greifswald

Prof. Dr. Ronny Brandenburg
Forschungsschwerpunktleiter Plasmachemische Prozesse

Tel.: +49 3834 - 554 3818
Fax: +49 3834 - 554 301

brandenburginp-greifswaldde
www.leibniz-inp.de

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