The electrical properties, in particular the U–I characteristics, current and voltage signal shapes within the pulse, are important parameters for the understanding of the processes taking place in the pulsed glow discharge (PGD). The electrical properties are also closely related to the analytical performance of the PGD such as sputtering rates, crater shapes and emission yields. Moreover, the dependence of the U–I plots on the density of the discharge gas can be used to estimate the gas temperature. This result is relevant for the analysis of thermally fragile samples. Nevertheless, there is a lack of PGD studies where the current and voltage signals are considered in detail. Therefore, this article is dedicated to the electrical properties of PGD. The influence of the PGD parameters (duty cycle and pulse duration) on the electrical properties is examined. The results highlight the optimum parameters for particular analytical applications. The question, whether direct current (dc) and radio frequency (rf) discharges behave similarly is also discussed and all experiments are performed for both modes. The comparative studies reveal strong similarities between dc and rf pulsed discharges. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Glow Discharge Optical Emission Spectrometry (GD OES) has proved to be a versatile analytical technique for the direct analysis of solid samples. The application of a pulsed power supply to the glow discharge (GD) has a number of advantages in comparison with a continuous one and thereby broadens the analytical potential of the GD. However, because the pulsed GD (PGD) is a relatively new operation mode, the pulsing and plasma parameters as well as their influence on the analytical performance of the GD are not yet comprehensively studied. The aim of this dissertation consists in the investigation of the PGD features, which are crucial for both understanding the discharge plasma processes and analytical applications. The influence of the pulsing parameters on the PGD is ascertained and compared for direct current (dc) and radio frequency (rf) discharges. In the research attention is firstly paid on the electrical parameters of PGD, then on the sputtered crater shapes, sputtering rates and finally on the light emission. It is found that the sputtered crater shape is strongly affected by the duration of the applied pulses even when the duty cycle is fixed. The pulse length influences the intensity of the light emission as well (at constant duty cycle). Moreover this influence is different for emission lines of atoms and ions in the plasma. This phenomenon can be seen at the comparison of atomic and ionic lines of different elements. The voltage–current plots of the PGD are found to indicate heating of the discharge gas when operating at high duty cycles. Using this feature a new method for the estimation of the discharge gas temperature from the voltage-current characteristics of the PGD is developed. The calculated temperature values are compared with another temperature measurement technique. Different temperature estimation procedures have shown that the discharge gas temperature can be reduced by around 100 K when PGD is applied. The temperature measurements have also confirmed that the gas heating can be adjusted by variation of the pulsing parameters. The effect of sputtering on the Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) layer surface of the solar cells is described for the first time. SEM investigations of the CIGSe layer of the solar cells have shown that sputter induced effects can be reduced by variation of the pulsing parameters. With regard to the question whether dc and rf pulsed discharges behave similarly: nearly all phenomena found with dc discharges also appear in the rf case. Hence it is concluded that the pulsed rf and dc discharges are very similar in terms of the electrical properties, sputtered crater formation, light emission and temperature. It is concluded that matrix specific, as well as matrix independent quantification principles and the intensity correction developed by Arne Bengtson can be applied for the pulsed mode, if special conditions are fulfilled. CIGSe solar cell samples and thin layered electrode metallizations of SAW devices are measured and quantified with application of PGD. The proposed quantification procedures are performed at commercial GD OES devices and can be used for the analysis with application of pulsed rf discharge. The studies of the PGD performed in this dissertation are relevant for the application of the GD OES analysis in materials science. During the collaborative work with Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie and with the research group of Dr. Thomas Gemming at IFW Dresden the optimized pulsed GD OES measurements could be successfully applied at the investigation of thin film solar cells with CIGSe light absorbing layer and electrode matallizations of SAW devices. In case of solar cell samples pulsed GD OES depth profiling along with SIMS measurements reveal the role of the Al2O3 barrier layer in high efficiency solar cells consisting of a CIGSe/Mo/Al2O3/steel substrate layer stack (the barrier layer is to prevent the Fe diffusion into the CIGSe). The features of the CIGSe films growth are studied with help of pulsed GD OES and in situ synchrotron XRD measurements. The diffusion coefficient of Zn into the CuInS2 layer is determined for the first time from the measured GD OES depth profiles of the corresponding solar cell samples. In case of SAW samples, pulsed GD OES measurements helped to evaluate the different SAW electrode preparation procedures and to select the most suitable one. In addition pulsed GD OES depth profiling along with XPS, TEM-EDX and electrode lifetime measurements indicate the possible mechanism of power durability and lifetime improvement of the SAW devices when a small amount of Al is added to the Cu-based electrodes. / Die optische Glimmentladungsspektroskopie (engl. Glow Discharge Optical Emission Spectrometry - GD OES) hat sich als eine vielfältige und schnelle Methode für die direkte Analyse von festen Materialien erwiesen. Die Anwendung von gepulsten Glimmentladungen (GD) bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu einer kontinuierlichen Entladung und erweitert dadurch das analytische Potential der Methode. Die praktische Anwendung von gepulsten GD erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Prozesse, die in der Entladung und im elektrischen System ablaufen. Der Einfluss der Puls- und Plasmaparameter auf die analytische Leistung der gepulsten GD ist bislang noch nicht umfassend erforscht worden. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Untersuchung der Eigenschaften der gepulsten GD, welche von besonderer Bedeutung sowohl für das Verständnis des Entladungsprozesses als auch für analytische Anwendungen ist. Die Auswirkungen der Pulsparameter auf die gepulste GD wurde für den Gleichstrom-(DC) und Hochfrequenz- (HF) Modus untersucht und verglichen. Die Reihenfolge der Untersuchungen wurde in dieser Arbeit wie folgt gewählt: elektrische Parameter, Sputterkraterformen, Sputterraten und Lichtemission. Die Form des Sputterkraters korreliert stark mit der Pulsdauer, selbst wenn das Tastverhältnis konstant ist. Die Pulsdauer beeinflusst nicht nur die Kraterform, sondern auch die Intensität der Emissionslinien (bei konstantem Tastverhältnis). Darüber hinaus ist dieser Einfluss unterschiedlich für Atome und Ionen. Dieses Verhalten wurde an mehreren Emissionslinien (atomar bzw. ionisch) nachgewiesen. Aus der Analyse der U-I-Kennlinien der gepulsten GD ergab sich, dass es zu einer Erhitzung des Plasmas bei höherem Tastverhältnis kommt. Dieser Effekt wurde zur Bestimmung der Plasma-Gastemperatur ausgenutzt. Die ermittelten Temperaturen wurden mit einer andere Methode verglichen. Aus der Abschätzung ergab sich, dass die Plasmatemperatur bei gepulsten GD um bis zu 100 K gesenkt werden und durch die Pulsparameter genauer eingestellt werden kann. Der Einfluss des Sputterns auf Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) Dünnschichten von Solarzellen wurde erstmals beschrieben. REM-Untersuchungen an GD-gesputterten CIGSe Schichten haben gezeigt, dass die Sputtereffekte durch die Variation der Pulsparameter reduziert werden können. Es konnte gezeigt werden, dass HF- und DC-Entladungen dieselben Effekte aufweisen und sich nur geringfügig voneinander unterscheiden. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass DC- und HF-Entladungen in Bezug auf elektrische Eigenschaften, Kraterformen, Lichtemission und Temperatur sehr ähnlich sind. Die Quantifizierung der mit gepulsten GD gemessenen Tiefenprofile ergab ferner, dass die Anwendung der Quantifizierungsmethoden für den kontinuierlichen Modus unter den gegebenen Bedingungen zulässig ist. Die Tiefenprofile von Solarzellen-Schichten sowie SAW-Metallisierungen wurden anhand gepulster GD gemessen und quantifiziert. Die empfohlenen Quantifizierungsmethoden können mit kommerziellen GD OES-Geräten durchgeführt werden. Die Untersuchungen an gepulsten GD sind insbesondere relevant für GD OES-Anwendungen im Bereich der Werkstoffwissenschaft. Während der Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Arbeitsgruppe von Dr. Thomas Gemming (IFW Dresden) konnten optimierte, gepulste GD OES Messungen erfolgreich zur Untersuchung von Dünnschicht-Solarzellen bzw. hochleistungsbeständigen SAW-Metallisierungen angewendet werden. Für die Solarzellen haben GD OES und SIMS Messungen geholfen, die Rolle der Al2O3-Barriere in CIGSe/Mo/Al2O3 Schichtstapeln auf flexiblem Stahlsubstrat besser zu verstehen (Al2O3 soll die Diffusion der Fe-Atome in CIGSe verhindern). Die gemeinsame Untersuchung getemperter CIGSe-Schichten mit gepulster GD OES und in-situ Synchrotron-XRD ergab neue Erkenntnisse zum Schichtwachstum. Der Diffusionskoeffizient von Zn in CuInS2 wurde erstmals aus GD OES-Tiefenprofilen bestimmt. Im Fall der SAW-Metallisierungen konnte die GD OES zur Bestimmung des geeignetsten Herstellungsverfahrens einen wichtigen Beitrag leisten. Die gepulste GD OES hat neben anderen Untersuchungsmethoden wie TEM-EDX, XPS und Lebensdauermessungen die Verbesserung der Leistungsbeständigkeit von Cu-Metallisierungen durch geringen Al-Zusatz aufklären können.