Interaction of reactive components of non-thermal atmospheric pressure plasmas with liquids and surfaces
Non-thermal atmospheric pressure plasmas are a source of reactive components, such as electrons, ions, radicals, reactive and excited species, and photons. Typical application areas are surface or liquid treatments, which are based on additive or synergistic effects of these components and their transport at and across surfaces. However, knowledge about the isolated effect of each plasma component is rare.
The isolated interaction of two different reactive components, ions and atomic oxygen, with surfaces or liquids, respectively, was investigated within this work.
To study the isolated effect of ions on substrates at atmospheric pressure, the so-called vacuum-ultraviolet(VUV)-photoionization chamber has been developed. It uses a helium driven atmospheric pressure plasma to generate VUV photons with energies up to 21 eV, which are utilized to photoionize molecular species. Ion-based thin film deposition at atmospheric pressure can be utilized in this setup, e.g. by ionizing C2H2 molecules. Here it was shown that not only the parent C2H2+ ion is contributing to the thin film growth, but also clustered and polymerized ions.
For atomic oxygen, its effective reaction with organic compounds in liquids is known. However, it was unknown whether these reactions are liquid-surface or volume dominated. Phenol solutions were used as a chemical probe to be treated by the effluent of the COST-Jet as a source of atomic oxygen. The comparison of experimental and modeling results revealed the predominance of reactions of atomic oxygen at the liquid surface.
Nicht-thermische Atmosphärendruckplasmen sind eine Quelle verschiedener reaktiver Komponenten wie Elektronen, Ionen, Radikale, reaktive und angeregte Spezies und Photonen. Typische Anwendungsbereiche sind Oberflächen- oder Flüssigkeitsbehandlungen, die auf additiven oder synergistischen Effekten dieser Komponenten und deren Transport entlang und durch Oberflächen beruhen. Allerdings ist über die separate Wirkung der einzelnen Plasmakomponenten wenig bekannt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die separate Wechselwirkung von zwei verschiedenen reaktiven Komponenten, Ionen und atomarem Sauerstoff, mit Oberflächen bzw. Flüssigkeiten untersucht.
Um die separate Wirkung von Ionen auf Substrate bei Atmosphärendruck zu untersuchen, wurde die so genannte Vakuumultraviolett (VUV)-Photoionisationskammer entwickelt. Sie nutzt ein heliumbetriebenes Atmosphärendruckplasma zur Erzeugung von VUV-Photonen mit Energien bis zu 21 eV, die zur Photoionisation von molekularen Spezies verwendet werden. Ionenbasierte Dünnschichtabscheidung bei Atmosphärendruck kann in diesem Aufbau gezeigt werden, z.B. durch Ionisation von C2H2-Molekülen. Hier wurde gezeigt, dass nicht nur das C2H2+-Ion zum Dünnschichtwachstum beiträgt, sondern auch geclusterte und polymerisierte Ionen.
Für atomaren Sauerstoff ist bekannt, dass er mit organischen Verbindungen in Flüssigkeiten effektiv und direkt reagiert. Jedoch war bisher nicht bekannt, ob diese Reaktionen an der Flüssigkeitsoberfläche oder im Volumen ablaufen. Phenollösungen wurden als chemischer Nachweis für Reaktionen des atomaren Sauerstoffs verwendet, die mit dem Effluenten des COST-Jets, als Quelle für atomaren Sauerstoff, behandelt wurden. Der Vergleich von experimentellen Ergebnissen mit Simulationen ergab, dass die Reaktionen mit atomarem Sauerstoff an der Flüssigkeitsoberfläche deutlich dominieren.
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