Optisch gefangene Mikropartikel als Sonden in einem Hochfrequenz-Niederdruckplasma

Die vorliegende Dissertation ist überwiegend im Projekt B4 des Sonderforschungsbereiches TR24 - Grundlagen komplexer Plasmen am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Kiel entstanden. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet der Aufbau einer Laserfalle für sphärische, mikrometergroße Silikapartikel und die Kombination dieser sogenannten optischen Pinzette mit einem Hochfrequenz-Niederdruckplasma. Dadurch sollte die Möglichkeit einer nichtinvasiven Partikelmanipulation in der Entladung geschaffen und das Spektrum der Diagnostikmethoden für Plasmen mittels Mikrosonden erweitert werden. Primär sollte so die Plasmarandschicht, eine Raumladungsschicht zwischen Plasmen und Oberflächen, ortsaufgelöst untersucht werden. Mit einem System aus optischen Elementen, aufgebaut auf der Plasmakammer, wurde die Falle durch zwei gegenläufige Laserstrahlen realisiert. Es ist erstmals gelungen, Mikropartikel auch im Plasma mit einer optischen Pinzette festzuhalten. Durch Verschieben der HF-Elektrode in vertikaler Richtung konnte so die Mikrosonde beliebig durch das Plasma und die Randschicht bewegt werden. Restladungsmessungen nach Abschalten des Plasmas zeigten sowohl negative als auch positive Ladungszustände mit mehreren Tausend Elementarladungen und auch ungeladene Mikropartikel. Eine eindeutige Erklärung für diese Beobachtungen konnte zu diesem Zeitpunkt noch nicht gegeben werden. Untersuchungen der Ladungsänderungen eines Mikropartikels in einem elektrischen Feld eines Plattenkondensators mit zugeschalteter UV-Quelle wurden durch im Feld beschleunigte Photoelektronen aus den Kondensatorelektroden erklärt. Diese erzeugen auf dem Mikropartikel Elektronen-induzierte Sekundärelektronen und führen zu einer durch die Stärke des elektrischen Feldes steuerbaren Elektronenbilanz vom und zum Partikel. Dadurch ließ sich die Partikelladung kontrollieren. Die wirkenden Kräfte beim Bewegen der Mikrosonde vom Plasmabulk durch die Randschicht bis zur HF-Elektrode konnten in guter Übereinstimmung mit Modellrechnungen gemessen werden. Die Kraftprofile zeigten einen zunächst linearen Anstieg, ein Maximum und einen erneuten Abfall der Kraft kurz vor der HF-Elektrode. Dieser Verlauf ist auf eine Abnahme der negativen Ladung der Mikrosonde bei gleichzeitig steigendem elektrischen Feld in der Randschicht zurückzuführen. Mit Hilfe einer vereinfachten Annahme eines linearen Anstiegs des elektrischen Feldes wurde aus den Kraftmessungen die Ladung der Mikrosonde innerhalb der Randschicht berechnet. Die in dieser Arbeit entwickelte und erfolgreich eingesetzte Methode zur Partikelmanipulation verschafft zusätzlich zu den bestehenden Diagnostikmethoden einen weiteren Zugang zu Untersuchungen im Plasma. Sie liefert Daten zur Verbesserung und Validierung bestehender Simulationen und ermöglicht die Nutzung von Mikropartikeln als Sonden, sowohl im Plasma als auch für grundlegende Fragestellungen.

The present doctoral thesis mainly originates in the project B4 of the Collaborative Research Centre TR24 - Fundamentals of Complex Plasmas at the Institute of Experimental and Applied Physics at the Kiel University. The key aspect of this work is the design and setup of a laser trap for spherical, micrometersized glass beads and the combination of this so called optical tweezers with a radio frequency low pressure plasma. This should result in the ability of a non-invasive particle manipulation in the discharge and enlarge the spectrum of plasma diagnostics with microprobes. Primarily, the plasma sheath, a spacecharge layer between the plasma and surfaces, should be investigated spatially resolved. With a system of optical elements on top of the plasma chamber, the trap has been realized by two counter-propagating laser beams. For the first time, it has been possible to hold microparticles in the plasma using optical tweezers. By moving the rf electrode in a vertical direction, the microprobe could be moved through the plasma and the sheath as well. Residual charge measurements after switching off the plasma showed both negative and positive charge states with several thousand elementary charges and also uncharged microparticles. At present, a clear explanation for these observations could not be given. Investigations of the changes in charge of a microparticle in an electric field of a plate capacitor and with an additional UV source were explained by photoelectrons from the capacitor electrodes accelerated in the field. These electrons generate electron-induced secondary electrons and lead to an electron balance from and to the particle that can be controlled by the strength of the electric field. By this method, the particle charge could be controlled. The forces acting when moving the microprobe from the plasma bulk through the sheath to the rf electrode could be measured in good agreement with model calculations. The force profiles showed an initially linear increase, a maximum and again a decrease in force just in front of the rf electrode. This course is due to a decrease in the negative charge of the microprobe with a simultaneous increase of the electric field in the sheath region. With a simplified assumption of a linear increase of the electric field, the charge of the microprobe within the sheath was calculated from the force measurements. The particle manipulation method developed and successfully used in this thesis provides access to investigations in plasma in addition to the existing diagnostic methods. It provides data for the improvement and validation of existing simulations and enables the use of microparticles as probes, both in plasma and for fundamental questions.

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