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Plasmachemische Prozesse

Der Forschungsschwerpunkt "Plasmachemische Prozesse" konzentriert sich auf die Physik und Chemie reaktiver Plasmen, erarbeitet Ansätze und Methoden zur Steuerung plasmachemischer Prozesse sowie neue Konzepte für Plasmareaktoren. 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. Zudem können schnelle bildgebende Verfahren die Ausbildung der Plasmen und Entladungsregime erfassen womit die Korrelation zwischen Entladungsphysik und Plasmachemie erschlossen werden kann. Basierend darauf können Plasmareaktoren konzipiert oder optimiert werden. 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.


Anwendungs- und Forschungsfelder

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.  

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.

Die anthropogene Emission von Kohlendioxid wird als zentrale Ursache für den Klimawandel angesehen. Daher steht neben der Vermeidung von CO2-Emissionen auch die Nutzung dieses Gases als potentieller Rohstoff im Sinne von „Power-to-Gas“ oder „Power-to-Fuel“ Ansätzen im Blickpunkt. Es ist bekannt, dass ein nicht-thermisches Plasma Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umwandelt, wobei das Plasma auch durch elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen gespeist werden kann. Kohlenmonoxid ist ein Ausgangstoff für die Herstellung anderer Chemikalien. Daneben sind auch andere Prozesse, wie z.B. Reformierung bekannt. Plasma-chemische Reaktoren und -Prozesse sind jedoch noch weit entfernt von ausreichender Energieeffizienz und ausreichenden Umwandlungsgraden. Das INP forscht an neuen Ansätzen für Plasmareaktoren und sowie den Grundlagen der CO2-Plasmachemie, wobei auch die Kopplung mit Katalysatoren betrachtet wird. Aktuelle Projekte zielen auf die Verwendung von biogenem CO2 ab.

Der Nachweis von Atomen und Molekülen, aber auch Elektronen und Ionen in sehr geringer Konzentration mit hoher Genauigkeit ist für das Verständnis von Plasmaprozessen sehr wichtig. Neben der etablierten Methodik der Infrarot-Absorptionsspektroskopie wird die Methodik der Terahertz (THz) Spektroskopie und deren Anwendungsmöglichkeiten erforscht. Hierbei kommt nicht nur ein großes auf „THz Time Domain Spektroscopie“ basiertes Lasersystem zum Einsatz, sondern wird auch die Anwendung von kompakten Quantenkaskadenlasern in THz spektralbereich untersucht. Diese Arbeiten finden in enger Kooperation mit dem Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) statt, ein weiteres Leibniz Institut.

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.


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
roepckeinp-greifswaldde

In seinem Forschungs- und Innovationsförderungsprogramm KMU-Innovativ Photonik fördert das BMF das Verbundprojekt "Innovatives Plasmanitrieren durch dynamische Prozesskontrolle mittels optischer Frequenzkämme (InPro-F)". Am INP wird das Teilvorhaben "Hochauflösendes VIPA-Detektionssystem für dynamische Prozesskontrolle" bearbeitet. Der Verbund besteht aus den Firmen Menlo Systems GmbH, der neoplas control GmbH sowie der RÜBIG GmbH & Co. KG. Ziel des Vorhabens ist es, einen Demonstrator eines optischen Mess- und Regelsystems, basierend auf Frequenzkamm-Laserspektroskopie im mittleren Infrarot zu erarbeiten, welcher zur Prozesssteuerung eines plasmagestützten Nitrier-, bzw. Nitrocarburierprozesses unter industriellen Bedingungen geeignet ist. Mit dem Projektergebnis soll für die Verfahren des plasmagestützten Nitrierens sowie Nitrocarburierens ein Technologiesprung erreicht werden durch die erstmalige Einführung einer kennzahlgesteuerten Prozessführung basierend auf in-situ Konzentrationsmesswerten von molekularen Plasmaspezies.

Projektleiter:
Dr. Norbert Lang
Tel.: +49 3834 - 554 452
langinp-greifswaldde

Ziel des im Rahmen von Eurostars geförderten Verbundvorhabens ist ein neuartiges kompaktes optisches Sensorsystem im mittleren Infrarot für die In-Situ-Prozessüberwachung in der Halbleiterindustrie, Umwelt- und Abgasüberwachung. Der innovative Ansatz beruht dabei auf der Nutzung von speziellen Fabry-Perot Quantenkaskadenlasern mit bis dato nicht erreichbaren Eigenschaften hinsichtlich spektralem Durchstimmbereich und Durchstimmrate. Das Konsortium besteht aus den Firmen Alpes Lasers SA und neoplas control GmbH sowie den Forschungseinrichtungen Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) und INP.  Ziel des Teilvorhabens ist es, die angestrebten, innovativen Durchstimmeigenschaften dieser neuartigen Laserklasse für ein spektroskopisches Messsystem nutzbar zu machen und zu bewerten. Dies erfordert einerseits die Entwicklung eines speziell auf das level-crossing chirp-Verhalten abgestimmten Ansteuerungsverfahren des Lasers. Des Weiteren gilt es, besondere Anforderungen hinsichtlich der Detektion dieser Laser zu berücksichtigen und umzusetzen. Der zu entwickelnde Demonstrationssetup wird sowohl in-situ Messungen an Plasmaprozessen, wie beispielsweise Ätzprozesse in der Halbleiterindustrie ermöglichen, als auch extraktive Messungen an Gasproben, wie sie im Umweltmonitoring oder in der Atemgaskontrolle üblich sind.

Projektleiter:
Dr. Norbert Lang
Tel.: +49(0) 3834 554 3879
langinp-greifswaldde

In diesem von der DFG geförderten Vorhaben beschäftigt sich das INP zusammen mit dem Institut für Energietechnik an der TU Berlin mit der detaillierten und quantitativen Analyse der Pyrolyse von Holzpartikeln. Mit diesen grundlegenden Daten sollen Lücken im Verständnis des Pyrolysemechanismus geschlossen werden, die für jeden thermochemischen Umwandlungsprozess von großer Bedeutung sind. Das Hauptergebnis wird darin bestehen, heterogene Nebenreaktionen in den Pyrolysekinetikmechanismus von Holzpartikeln einzubeziehen, d. h. nicht nur den Einfluss dieser Reaktionen auf die flüchtige Zusammensetzung, sondern auch auf die Reaktionsenthalpien und die Prozesskinetik zu bestimmen. Für die Bestimmung der Gaszusammensetzung in unmittelbarer Nähe der Oberfläche eines pyrolysierenden Holzpartikels (im technisch relevanten cm-Maßstab) werden in-situ laserspektroskopische Methoden wie die Infrarotlaserabsorptionsspektroskopie und die laserinduzierte Fluoreszenz orts- und zeitaufgelöst eingesetzt.

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

Gegenstand dieses DFG-Projektes ist die modellbasierte Analyse räumlicher Schichtstrukturen sowie spontaner Modenübergänge und Instabilitäten in dielektrisch behinderten Atmosphärendruckentladungen. Dazu wird ein selbstkonsistentes hydrodynamisches Plasmamodell zur zeitabhängigen, räumlich zweidimensionalen Beschreibung einer Einzelfilamententladung in Argon bei Atmosphärendruck entwickelt und zur Erforschung von experimentell beobachteten Phänomenen eingesetzt. Wesentliches Ziel ist es, mittels Parameterstudien auf der Basis statistischer Versuchsplanung ein tieferes physikalisches Verständnis des Einflusses und der Wirkungsweise externer Entladungsparameter wie Spannungsamplitude und Frequenz sowie der Auswirkung von Gasverunreinigungen auf die Stabilität der Entladung zu erlangen. Letztendlich können so die Eingabegrößen optimiert sowie die verschiedenen Entladungsmodi gesteuert und für Anwendungen nutzbar gemacht werden.

Projektleiter:
Dr. Markus Becker
Tel.: +49 3834 - 554 3821
markus.beckerinp-greifswaldde

Das Projekt "Terahertz-Detektion von Atomen in Plasmaprozessen" zielt auf die Entwicklung spektroskopischer Methoden im Terahertz (THz) -Spektralbereich zur Bestimmung der absoluten Dichte von Atomen und Ionen für eine Vielzahl von Spezies in technologisch relevanten Plasmaprozessen, wie beispielsweise der plasma-gestützten Abscheidung von Filmen auf AlN- und Si-Basis. Das Gemeinschaftsvorhaben bringt das Fachwissen des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik auf dem Gebiet der Herstellung kundenspezifischer THz-Quantenkaskadenlaser für spektroskopische Anwendungen und des Leibniz-Instituts für Plasmaforschung und Technologie auf dem Gebiet der spektroskopischen Plasmadiagnostik zusammen. Unser neuartiger Ansatz basiert auf der Detektion von Hyperfeinübergängen des Grundzustands in Metallatomen und -ionen im THz-Spektralbereich mit Quantenkaskadenlasern. Diese Laser können mit Hilfe kühlmittelfreier Stirlingkühler betrieben werden, was einen kompakten Aufbau ermöglicht. Für die Detektion von Si, Al, N + und O werden Singlemode-Quantenkaskadenlaser entwickelt und hergestellt, die bei 2,31, 3,36, 3,92 bzw. 4,75 THz emittieren. Für den gleichzeitigen Nachweis von Al und N + werden Frequenzkämme im Spektralbereich von 3,3 bis 4,0 THz entwickelt, welche eine kompakte Prozesssteuerung zur Abscheidung von AlN-Filmen auf Basis der sogenannten Dual-Comb Spectroscopy ermöglichen.

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

Ziel dieses von der DFG geförderten Vorhabens ist das Verhalten von Einzelentladungen in dielektrisch behinderten Entladungen (DBE) in Multifilamentanordnungen zu erforschen. Dazu sollen Einzelentladungen in einer Multifilamentanordnung charakterisiert und die Wechselwirkung der Filamente analysiert werden, wobei gleichzeitig die Gesamtentladung, d. h. die Summe aller Filamente, betrachtet wird. Da die plasmachemischen Reaktionen durch die physikalischen Vorgänge in den einzelnen Filamenten initiiert werden, ergibt sich mit gepulst betriebenen DBE die Möglichkeit, bestimmte Plasmaparameter so zu beeinflussen, dass plasmachemische Prozesse selektiver und effizienter angestoßen werden können. Da in den für die Anwendungen genutzten DBE-Reaktoren sehr viele Filamente gleichzeitig auftreten, muss geklärt werden, ob sich die bereits vorhandenen Erkenntnisse vom Einzelfilament auf solche Anordnungen übertragen lassen. Des Weiteren soll untersucht werden, wie der elektrische Durchbruch und die Entladungsentwicklung durch den gegenseitigen Einfluss von Volumen- und Oberflächenprozessen in Multifilamentanordnungen beeinflusst wird, um daraus mögliche Korrelationen von Entladungsphysik und Plasmachemie herauszuarbeiten.

Projektleiter:
Dr. Hans Höft
Tel.: +49 3834 - 554 3926
hans.hoeftinp-greifswaldde


Publikationen


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