Gas phase cluster aggregation and its application to the deposition of functional thin films

Peter, Tilo

Several aspects of gas phase cluster aggregation and its potential applications are explored in this work. In this technique, magnetron sputtering is used to create a high density of single atoms in an inert gas atmosphere. These atoms then aggregate to nanoclusters and are carried by an inert gas flowto an orifice. Behind the orifice, a directed beam of clusters is formed and can be used for sample deposition. At first, a system for cluster and nanocomposite deposition is built. It is based on a commercial magnetron and uses the same working principle as common gas aggregation cluster sources (GAS). However, it does not use a strict laminar inert gas flow and lacks an orifice, but instead offers the possibility for plasma diagnostics. Silver is used as cluster material and numerous investigations are done to better understand the specifics in the gas phase cluster aggregation process. These experiments are done using in-situ diagnostics, such as calorimetric probes and optical emission spectroscopy, but also by analyzing deposited samples with X-ray photoelectron spectroscopy and transmission electron microscopy. The deposition of composite materials using this system is realized by injecting a precursor for plasma polymerization into themagnetron plasma. This leads to the simultaneous growth of nanoparticles and an polymer matrix. For these experiments hexamethyldisiloxane (HMDSO) is used as a precursor for the matrix material. The investigation of this system mainly focuses on the interaction between the two deposition processes in the source. After this, a second deposition system with a new closed GAS is developed and built. It also uses cluster aggregation and plasma polymerization as deposition processes. In comparison with the previous system, it offers independent control over these processes by placing them in two separate vacuum chambers with different gas flow control units and plasma discharges. The clusters produced by this system are characterized using electrostatic deflection and a commercial quadrupole mass spectrometer. Subsequently, it is used for the deposition of nanocomposite samples with peculiar optical properties. Lastly, this closed GAS is used for the formation of titanium nanoclusters. This is only possible using a new technique relying on a reactive gas admission. Here, the seeds for the nanoclusters are formed from titanium and oxygen, rather than pure titanium. The underlying mechanics of this effect are studied and a basic model is found. Further study reveals a novel technique, that increases the deposition rate of the titanium nanocluster by a factor of twenty. This is done by pulsing the, otherwise continuous, DC power of the magnetron inside the GAS. The reason for this increase is the sputtering of titanium oxide dimers from the target surface. An application in photocatalysis with promising results for future development is shown for the these clusters.

In dieser Arbeit werden mehrere Aspekte der Gasphasenclusteraggregation und ihrer Anwendungen untersucht. In dieser Technik wird mittels Magnetronsputtern eine hohe Dichte von einzelnen Atomen in einer Gasatmosphäre erzeugt. Diese Atome bilden Cluster, die mit einem Gasstrom zu einer Düse getragen werden. Hinter der Düse bildet sich nun ein fokussierter Clusterstrahl, der zur Probenherstellung genutzt werden kann. Im ersten Teil wird ein System zu Abscheidung von Nanoclustern und Kompositmaterialien konstruiert. Es basiert auf einem kommerziellenMagnetron und nutzt das Prinzip üblicher Gasaggregationsquellen (GAS), allerdings besitzt es keine Düse. Dieses spezielle Design erlaubt es in-situ-Plasmadiagnostik zu nutzen. Als Material für die Clusterherstellung wird Silber verwendet. Es werden eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt, um die genauen Prozesse während der Gasphasenclusteraggregation besser zu verstehen. Dazu werden Experimente mit in-situ-Diagnostik durchgeführt und Proben abgeschieden, deren Strukutr und Zusammensetzung analysiert wird. Zur Herstellung von Kompositschichten wird ein Monomer, Hexamethyldisiloxan (HMDSO), zur Plasmapolymerisation in das Magnetronplasma eingespritzt. Dadurch wächst gleichzeitig zu der Clusterabscheidung ein Polymer auf dem Substrat auf. Die Experimente an diesem System beschäftigen sich insbesondere mit der Wechselwirkung zwischen diesen beiden Abscheidungsprozessen in dem Magnetron. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein weiteres Abscheidungssystem entwickelt und konstruiert, das auf einer geschlossenen GAS basiert. ImUnterschied zum ersten System werden die beiden Prozesse in separaten Vakuumbereichen durchgeführt und können weitgehend unabhängig voneinander gesteuert werden. Die Cluster werden unter anderem mit einem Massenspektrometers und einem Systems zur elektrostatischen Ablenkung untersucht. Durch Einbettung dieser Cluster in das Polymer werden Nanokomposite abgeschieden, die besondere optische Eigenschaften aufweisen. Im letzten Teil werden mit der neuen Quelle Titancluster abgeschieden. Dies ist nur mit einer relativ jungen Technik möglich, die auf der Zugabe von reaktiven Gas beruht. Hierbei werden die Nukleationskeime aus Titanoxid, statt purem Titan, gebildet. Durch zahlreiche Experimente wird derMechanismus auf demdieser Effekt basiert untersucht.Weitergehende Untersuchungen führen zu einer neuartigen Methode, bei der die Abscheidungsrate der Titancluster auf mehr als das Zwanzigfache erhöht werden kann. Dies wird durch eine gepulste, statt der üblichen konstanten, Gleichspannung für das Magnetron erreicht. Der Grund für den starken Anstieg derAbscheidungsrate scheint hierbei die verstärkte Zerstäubung von Titan-Sauerstoff-Dimeren zu sein. Abschließend werden diese Cluster zur Photokatalyse eingesetzt.

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Peter, Tilo: Gas phase cluster aggregation and its application to the deposition of functional thin films. 2013.

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