Plasmapolymerization and particle growth

von Wahl, Erik

In this thesis various experiments are presented, that have been exercised in the frame of the project B13 of the Sonderforschungsbereich TR24, titled Fundamentals of Complex Plasmas. All of the presented experiments have been realized at the research vessel ATILA at the Institute for experimental and applied physics in Kiel. They deal with the synthesis of nanoparticles in a radio frequency plasma at low pressure with acetylene as precursor gas. The focus of this work is the chemical and physical interaction between the electrically charging particles and the plasma. In order to understand the time-space phenomena, different techniques have been applied with emphasis on in-situ techniques. The nanoparticle growth cycle has been seperated into three phases and all diagnostics have been time correlated, so that they become comparable. In more detail the applied diagnostics are the electrical characterisation of the discharge by the self-bias voltage at the powered electrode, laser light scattering at the dense dust cloud, Langmuir probe measurements, RF-phase resolved camera measurements of the plasma sheath region above the driven electrode, energy resolved mass spectrometry and quartz micro balance measurements for deposition rate determination. As one of the main hypothesis it was brought out, that the nucleation and coagulation of the nanoparticles occurs simultaneously throughout the entire phase I of the growth cycle, and thus, its duration determines the width of the particle size distribution. In both of the following phases, however, the precursor concentration in the gas decreases strongly, so that no further nucleation can take place. Hence, in dust collection experiments often a mono disperse particle population is found. Strongly simplifed models have been used to interpret the Langmuir probe data and to calculate the particle charge and density approximately. Further more the ion current density and plasma sheath width in front of the powered electrode could be estimated by simple Child-Langmuir laws. The mass-spectrometric investigations allowed for the confirmation of already known reaction schemes in acetylene containing plasmas as well as for the recording of the time dependent ion energies. By the help of simple calculations the diffusion constants and loss rates for the radicals C and CH2 have been determined. Finally, the measurement of the deposition rate, shows interesting indications for the importance of the contribution to the film growth by hydrocarbon ions. This may be interesting work to investigate further in future.

Diese Doktorarbeit stellt verschiedene Experimente vor, die innerhalb des Projektes B13 des Sonderforschungsbereiches TR24-Grundlagen komplexer Plasmen an der Anlage ATILA am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik in Kiel durchgeführt wurden. Es handelt sich dabei um Versuche an einem Nanopartikel bildenden Hochfrequenzplasma im Niederdruck unter der Verwendung von Acetylen als Präkursor. Schwerpunkt der Arbeit ist die chemische und physikalische Wechselwirkung der sich elektrisch aufladenden Partikel mit dem Plasma. Um diese zeitlichen und räumlichen Phänomene zu Erfassen, wurden unterschiedliche Diagnostiken angewandt, wobei die Betonung auf in-situ Techniken liegt. Um die zahlreichen Ergebnisse miteinander vergleichen zu können, wurde der Wachstumszyklus der Nanopartikel in drei Phasen unterteilt und alle diagnostischen Methoden zeitlich zueinander korreliert. Es handelt sich bei den Diagnostiken im Wesentlichen um die elektrische Charakterisierung der Entladung anhand der sich einstellenden Gleichspannung auf der kapazitiv gekoppelten Elektrode, Laserlichtstreuung an den Nanopartikeln, Langmuirsondenmessungen, HF-phasenaufgelöste Kameramessungen der Randschicht über der getriebenen Elektrode, energieaufgelöste Massenspektrometrie und Quartz-Mikrowägung zur Bestimmung der Schichtabscheidungsrate. Als eine der Hauptthesen wurde dabei herausgearbeitet, dass die Nukleation und Koagulation des Nanostaubs zeitgleich und während der kompletten Phase I im Wachstumszyklus stattfindet, sodass folglich dessen Dauer die Breite der Partikelgrößenverteilung bestimmt. In den beiden darauf folgenden Phasen hingegen sinkt die Präkursorkonzentration in der Gasphase stark ab, sodass keine weitere Nukleation mehr stattfinden kann, weshalb in Sammelexperimenten meist eine monodisperse Partikelpopulation gefunden wird. Stark vereinfachte Modelle wurden verwendet, um die Langmuirsondendaten zu interpretieren und um die Partikelladung und -dichte annhähernd zu errechnen. Des Weiteren konnten mithilfe einfacher Child-Langmuir Gesetze die Ionenstromdichte und die Randschichtdicke vor der getriebenen Elektrode analysiert werden. Die massenspektrometrischen Untersuchungen erlaubten sowohl die Bestätigung bekannter Reaktionsschema in acetylenhaltigen Plasmen als auch Messung der zeitabhängigen Ionenenergie. Mithilfe einfachster Modellrechungen wurden die Diffusionskonstanten und Verlustraten für die Radikale C und CH2 bestimmt. Die Messung der Schichtabscheidungsrate lieferte schließlich interessante Hinweise auf den entscheidenden Beitrag der Kohlenwasserstoffionen zum Schichtwachstum. Dies mag ein Ansatz in Richtung zukünftiger Arbeiten sein.

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von Wahl, Erik: Plasmapolymerization and particle growth. 2019.

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