Plasma- and ion beam sources

Breitstrahlionenquellen sind ein wichtiges industrielles Werkzeug zur Oberflächenbehandlung. Damit lassen sich beispielsweise Oberflächen abtragen, Materialien zerstäuben, um sie auf einer anderen Oberfläche abzuscheiden, Oberflächen strukturieren und Ionen implantieren. Aus einem Plasma werden dazu mit Hilfe eines Gittersystems Ionen extrahiert und elektrostatisch auf Energien von meist einigen 100 eV bis einigen keV beschleunigt. Der Strahldurchmesser einer Breitstrahlquelle beträgt typischerweise einige cm bis zu mehreren 10 cm bei Stromdichten in der Größenordnung von 1 mA/cm². Neben diesen terrestrischen Anwendungen finden Ionenstrahlquellen auch eine Anwendung als Ionentriebwerke in der Raumfahrt.

Die physikalische und bei reaktiven Gasen auch chemische Wirkung des Ionenstrahls auf eine Oberfläche hängt entscheidend von den Strahlparametern ab.
Daher ist die Diagnostik des Strahlprofils und der Ionenenergieverteilungsfunktion sehr wichtig für die Anwendung und die Entwicklung von Breitstrahlionenquellen. Neben konventionellen Diagnostiken wie Faraday-Cups und Gegenfeldanalysatoren befasst sich unsere Arbeitsgruppe mit neuartigen Diagnostiken. Eine davon, die Nutzung von Mikropartikeln als Sonden, stellen wir hier vor.

  • Hauptkomponenten des experimentellen Aufbaus in VIBEX für die Messung der Kraft auf Mikropartikel, die von einem Strahl energetischer Ionen und Neutralteilchen ausgübt wird.. Die Beobachtungsplattform (a) ist 30 cm oberhalb der vertikal aufwärts gerichteten Breitstrahlionenquelle (b) montiert.
  • Gemessene Beschleunigung von Mikropartikeln bei verschiedenen Ionenenergien. Die kleinen Symbole repräsentieren die individuellen Trajektorien, die großen Symbole die Mittelwerte. Die Partikel werden aus zwei verschiedenen Höhen über der oberen Bildkante injiziert.
  • Partikeltrajektorien bei verschiedenen Strahlenergien (a) 160 eV, (b) 360 eV und (c) 400 eV. Die Rechtecke zeigen die Bereiche der aufeinanderfolgenden Frames.

Publikationen

F. Zahari, F. Schlichting, J. Strobel, S. Dirkmann, J. Cipo, S. Gauter, et al. Correlation between sputter deposition parameters and I-V-characteristics in double-barrier memristive devices. Journal of Vacuum Science & Technology B. 37, 061203 (2019).
M. Klette, M. Maas, T. Trottenberg, H. Kersten Directionally resolved measurements of momentum transport in sputter plumes as a critical test for simulations. Journal of Vacuum Science & Technology A. 38, 033013 (2020).
T. Krüger, L. Hansen, H. Kersten Deposition of SiOx thin films using hexamethyldisiloxane in atmospheric pressure plasma enhanced chemical vapour deposition. Journal of Physics: Conference Series. 1492, 012023 (2020).
T. Kewitz, C. Regula, M. Fröhlich, J. Ihde, H. Kersten Influence of the nozzle head geometry on the energy flux of an atmospheric pressure plasma jet. EPJ Techniques and Instrumentation. 8 (2021).
L. Hansen, BM. Goldberg, D. Feng, RB. Miles, H. Kersten, S. Reuter Energy transfer in interaction of a cold atmospheric pressure plasma jet with substrates. Plasma Sources Science and Technology. 30, 045004 (2021).
T. Trottenberg, F. Bansemer, S. Böttcher, D. Feili, H. Henkel, M. Hesse, et al. An in-flight plasma diagnostic package for spacecraft with electric propulsion. EPJ Techniques and Instrumentation. 8 (2021).
R. Marquardt, J. Cipo, F. Schlichting, G. Kolhatkar, H. Kohlstedt, H. Kersten Correlation between properties of direct current magnetron sputtered thin niobium nitride films and plasma parameters. Thin Solid Films. 742, 139046 (2021).
L. Hansen, N. Kohlmann, U. Schürmann, L. Kienle, H. Kersten Conventional and non-conventional diagnostics of a stable atmospheric pressure DC normal glow microplasma discharge intended for in situ TEM studies. Plasma Sources Science and Technology. 31, 035013 (2022).
A. Spethmann, T. Trottenberg, H. Kersten, FG. Hey, L. Grimaud, S. Mazouffre, et al. Force probes for development and testing of different electric propulsion systems. EPJ Techniques and Instrumentation. 9 (2022).
J. Drewes, S. Rehders, T. Strunskus, H. Kersten, F. Faupel, A. Vahl In-situ laser light scattering for temporally and locally resolved studies on nanoparticle trapping in a gas aggregation source. Particle & Particle Systems Characterization. 2200112 (2022).