The properties of materials, especially of solids, can be attributed mainly to the phenomena occurring at the surface. Surface engineering deals with altering the surface properties of materials to realize useful functionalities like wear and corrosion resistance, biocompatibility, hardening etc. Among the various methods adopted, plasma surface modification stands out, because of the inherent dry processing nature and little amount of left over chemicals. In conventional plasma systems, the process is carried out in a low pressure environment. This restricts its use in treating vacuum incompatible materials including tissues and bio-medical samples. Moreover, the batch processing nature and use of expensive vacuum pumps put a bottle-neck in the throughput of any production line. The subject matter of this thesis is about developing and optimizing an atmospheric pressure (760 torr) plasma system and to use it for surface modification of polymers. The experimental system developed, consists of two parallel electrodes facing each other, each of which is covered with a dielectric plate. A gap of 4mm exists between the dielectric surfaces, through which an axial flow of the working gas is maintained. When a high voltage is applied across the electrodes, the gas breaks down, creating plasma. The surface of the sample kept in this plasma, undergoes various phenomena, depending on the power applied, type of gas used and gas flow rate. To drive the plasma a high voltage power supply, which is able to generate 10 kV at 5.8 kHz, was developed in the laboratory. By varying the process parameters, the inherent filamentary nature of discharge can be converted to a diffuse uniform glow. The purity of plasma was studied and established by analyzing the optical emission from the plasma. After optimizing the system, it was used to modify the surface properties of polyester sheets. The wetting nature was altered using fluorocarbon and oxygen plasmas, realizing hydrophobic and hydrophilic surfaces. The contact angle of a water droplet made with the surface changed from 72° to 84° degree for hydrophobic and to 22° for hydrophilic surfaces respectively. Through this investigation, an insight to the procedure for developing an Atmospheric glow discharge system was developed. The details about system frame work, the power supply, electrical and optical characterization of the plasma, are well studied and recorded. The work establishes the various parameters to be varied to convert the filamentary discharge to a uniform glow. Purity of the plasma has been studied extensively and the system design and process values essential for maintaining the purity have been dealt with. Finally the plasma was put in use for surface modification of polymers, and the surface wetting nature alteration was studied and quantified.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, ausgehend vom aktuellen Stand der Technik, die Möglichkeiten der optische Glimmentladungsspektroskopie (GD-OES) für Tiefenprofilanalysen dünner und dünnster Schichten (Schichtdicken = 1 bis 100 nm) zu bestimmen und geeignete instrumentelle und methodischen Modifikationen vorzuschlagen, um die Einsatzmöglichkeiten weiter auszubauen. Dies gilt gleichermaßen unter Berücksichtigung der Anforderungen des Einsatzes im Routinebetrieb (geringe Bruttoanalysezeit und Reproduzierbarkeit) sowie in der Erforschung und der Entwicklung dünner Schichten (geringe Nachweisgrenzen, hohe Flexibilität zum Beispiel bei den analysierbaren Elementen oder der Leitfähigkeit der Proben, geringe Matrixeffekte, etc.). Während jeder GD-OES Analyse finden drei räumlich und zeitlich getrennte Teilprozesse statt: (A) durch das Zerstäuben der Oberfläche wird die Probe in der lateralen Ausdehnung des Anodendurchmessers in die Tiefe abgetragen und in die atomaren Bestandteile zerlegt (Sputterprozess); (B) in das Plasmagebiet diffundierte Partikel reagieren mit dem Analysegas (i. d. R. Argon), dadurch werden die Atome (und Ionen) der Probe in angeregte Zustände versetzt, im nachfolgenden Relaxationsschritt emittieren diese unter anderem Photonen einer charakteristischen Wellenlänge, die (C) alle in einem Detektionssystem (Mono- bzw. Polychromator oder CCD-Spektrometer) in ihrer Intensität als Funktion der spektralen Wellenlänge und der Zeit erfasst werden. Ein Vorteil der Methode, die niedrige Analysendauer bedingt durch den vergleichsweise hohen Sputterabtrag bewirkt, dass die Analyse dünner Schichten innerhalb weniger – im Extremfall sogar nur innerhalb von Bruchteilen von – Sekunden stattfindet. Dies lässt die Herausforderungen für die Analyse dünner Schichten verstehen. Der unter anderem von den elektrischen Entladungsbedingungen abhängige Sputterprozess und die komplexen Reaktionen im Plasma müssen möglichst unmittelbar (< 50 ms) nach dem Zündvorgang in einen stabilen Zustand übergehen. Einerseits ist dies instrumentell durch eine Anpassung der Steuer- und Regelungstechnik (z. B. Wahl geeigneter Druckregelventile, -sensoren, etc.) gelungen. Andererseits beeinflussen die unvermeidlichen Kontaminationen [Wasser(filme) und Kohlenwasserstoffe], die in das Plasmagebiet diffundieren, negativ die Stabilität die Entladung. Die Hauptstrategie zur Unterdrückung dieser ‚Dreckeffekte’ sind erfolgreich verschiedene Wege der ex-situ (maximalmögliche Reduzierung der Leckrate, Einsatz von Hochvakuumbauteilen, Einführung von Richtlinien zur Vakuumhygiene) und in-situ Dekontamination (aktive Desorptionsminderung durch ein Vorsputtern mit Si) gewählt worden. Erst in der Summe aller apparativen Verbesserungen ist die Voraussetzung für die Verwendung der Glimmentladungsspektroskopie als zuverlässige Methode der Dünnschichtanalytik gegeben. Für die laborpraktischen Arbeiten wurde während der sukzessiven Optimierung des Vakuumsystems als Nebenergebnis ein anwenderfreundlicher Schnelltest zur Charakterisierung des Geräts für Kurz- und Langzeitvergleiche entwickelt. Dieser wertet die Abpumpkurven bzw. Druckanstiegskurven aus. In Abhängigkeit der Bedürfnisse und dem Aufwand des Anwenders lassen sich interessante Parameter, wie das effektive Saugvermögen, eine Zeitkonstante für die Gasabgabe oder die Leckrate IL bestimmen. Die Bandbreite der untersuchten Proben ist dabei ähnlich unterschiedlich, wie die Fragestellungen: leitfähige und nichtleitfähige Proben; Nachweis und Bestimmung von Matrixelementen, Legierungsbestandteilen oder Spuren; Einfach-, Mehrlagen- und Wechselschichten, Oberflächen- und Zwischenschichten; Adsorbate an Ober- und Grenzflächen, Schichtdickenhomogenität als Teil der Qualitätskontrolle, etc. Ein Teil dieser Schichtsysteme sind in dieser Arbeit ausführlicher diskutiert worden. Das Hartstoffschichtsystem TiN gehört mit den Schichtdicken von 0,5 bis 3 µm zwar eher zu den dicken Schichten, wobei besonders der oberflächennahe Bereich (< 100 nm) zuverlässig untersucht wurde (vgl. Kap. 4.1). Mit dem Nachweis und der Quantifizierung von in der Grenzfläche (100 bzw. 1000 nm unter der Oberfläche) zwischen den elektrochemisch (ECD-Cu) und physikalisch (PVD-Cu) abgeschiedenen Cu-Schichten versteckten Adsorbaten bietet GD-OES dem Schichthersteller oder dem Werkstoffwissenschaftler wichtige Informationen, um zum Beispiel gezielt Gefügeänderungen für die Erhöhung der Elektromigrationsresistenz einzustellen. Es wurde einerseits die prinzipielle Machbarkeit und andererseits auch die Grenzen der Methode im Vergleich mit TOF-SIMS gezeigt. Ein weiteres Schichtsystem aus der Mikroelektronik ist im anschließenden Kap. 4.3 Gegenstand der GD-OES Untersuchungen. Dabei wurde nicht nur die Schichtdicken von 10 bis 50 nm dünnen TaN-Barriereschichten, sondern auch die Homogenität der Schichtdicken über einen kompletten 6’’ Wafer bestimmt. Die nachzuweisenden Unterschiede liegen im Bereich von einigen Angström bis zu wenigen Nanometern. Die GD-OES Untersuchungen von TaN zeigen zu Beginn und in der Nähe der Grenzfläche zum Substrat ungewöhnliche Intensitätsverläufe von Ta und N. Erst in Kombination mit anderen oberflächenanalytischen Verfahren (XPS und AES) gelang die Interpretation der Messergebnisse. Aus der Summe aller Argumente wird die Hypothese formuliert, dass sich im Fall des Zerstäubungsprozesses von TaN wegen der großen Unterschiede in den Atommassen ein Vorzugssputtern (engl. preferential sputtering) herausbildet. Bei anderen sputternden Verfahren, z. B. SIMS, ist dieses Phänomen längst bekannt und wurde auch für die Glimmentladungsspektroskopie vermutet. Dies konnte bislang allerdings noch nie beobachtet werden. Rechnungen mit einem Simulationsprogramm für Kollisionsvorgänge aufgrund ballistischer Effekte (TRIDYN) stützen diese Hypothese. Begünstigt wurde die Beobachtung des Vorzugssputterns durch die sauberen Messbedingungen, durch die man in Lage versetzt war, Anfangspeaks klar von Kontaminationspeak zu unterscheiden. Das vorletzte Kapitel 4.4 beschäftigt sich mit Schichten im untersten Nanometerbereich (< 5 nm). Es zeigt sich, dass die wenige Nanometer dicken, natürlichen Oxidschichten deutlich besser analysierbar sind, wenn man die in der Arbeit vorgestellte in-situ Dekontamination durch ein Vorsputtern anwendet. Die GD-OES Untersuchungen an organischen Monolagenschichten in Kap. 4.5 sind Teil einer aktuellen wissenschaftlichen Diskussion innerhalb der weltweiten GD-OES Fachwelt. Die von KENICHI SHIMIZU vorgestellten Ergebnisse konnten am Beispiel von Thioharnstoff mit RF bestätigt und erstmals auch mit einer DC-Entladung gezeigt werden. Das Verfahren der GD-OES kann qualitativ die Existenz von monomolekularen Schichten im Subnanometerbereich nachweisen. Allerdings stellen die Ergebnisse von Substraten mit anderen Molekülen die Interpretation der Intensitäts-Zeitprofile in Frage. Ein anderer Interpretationsansatz wird als Hypothese formuliert, konnte jedoch noch nicht verifiziert werden. Mit den vorgestellten Optimierungen der Messtechnik lassen sich die Möglichkeiten der Anwendung der optischen Glimmentladungsspektroskopie für die Untersuchungen dünner und dünnster Schichten deutlich erweitern.

Luminescence measurements have been applied to three different structures namely, sulphate, fluorides and YAG. In all cases the RE doping suppresses the intrinsic emission and results in intense luminescence characteristic of the RE dopant. Additionally, in double doped samples, or contaminated ones, the TL data show that each dopant defines a glow peak, which is displaced in temperature relative to the others. Examples of this were discussed for CaS04:Ce,Mn; YAG:Nd,Tb,Cr,Mn; BaF2:Ho,Ce and BaF2:Tm,Ce. The data are discussed in terms of an energy transfer model between different parts of extended defect complexes which encompass the RE ion and the lattice defects. Calcium sulphate doped with Dy define a TL peak near 200°C suitable for radiation measurements, but when co-doped with Ag the TL peak move to higher temperatures with minor effects on the peak sensitivity. In Ce,Mn double doped samples, the peak temperatures differ by -7°C between the Ce and Mn sites. The TL glow curves from alkaline earth fluorides are complex and contain several overlapping peaks. Curve fitting show that the peak maxima below room temperature are insensitive to the RE dopant. Additionally the host material has a modest effect on the peak positions. Above room temperature each dopant provides a TL curve specific to the added RE ion and do not show common peaks. Concentration has many effects on the resultant glow curve, and even at the lowest concentration used here (0.01%) there is evidence of cluster formation. Samples with high RE content show low values of the frequency factor consistent with the energy transfer model in that the emission from RE-RE cluster dominates over the emission from direct charge recombination within the defect complex. The effect of concentration and the TL mechanism operating below room temperature are also discussed. Luminescence signals from the near surface of YAG:Nd (via CL) were contrasted with those from the bulk material via RL. Results indicate that the outer few micron layers differ significantly in luminescence response from the bulk crystal. The differences were ascribed to result from solvents that enter the YAG lattice during the growth stage or subsequently from cleaning treatments via the dislocations caused by cutting and polishing. Additionally, the growth stage may include gases from the residual air in the growth furnace trapped into the YAG lattice. In each case there is a discontinuity in luminescence intensity and/or emission wavelengths at temperatures which mach the phase transitions of the contaminants. At the transition temperature there will be a sudden pressure change and this will induce surface expansion or bulk compression. The differences between the two cases were detected by the alternatives of CL and RL excitation, where the Nd or Er lines have moved in opposite directions. The detection of such low concentrations of solvents/trapped gases by luminescence is extremely difficult due to experimental limitations. Hence their role in luminescence generation is normally ignored.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι διεργασίες πλάσματος με τάση διέγερσης ραδιοσυχνότητας χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο και απαντώνται σε διάφορες εφαρμογές όπως στην εναπόθεση υλικών, στην επεξεργασία επιφανειών κα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι εκκενώσεις αίγλης ραδιοσυχνότητας να προσελκύσουν έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον. Μπορεί τα τελευταία χρόνια να έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στον τομέα αυτό ωστόσο υπάρχει ακόμα και σήμερα ενδιαφέρον που αφορά το σχεδιασμό των συστημάτων αυτών καθώς και την ανάπτυξη μεθόδων που αφορούν την επαναληψιμότητα των διεργασιών καθώς και τον έλεγχο των ιδιοτήτων του πλάσματος. Ένας από αυτούς τους τομείς είναι ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός ηλεκτροδίων ραδιοσυχνότητας πηγών πλάσματος και η εύρεση της κατανεμημένης εμπέδησής τους και ακολούθως ο υπολογισμός της καταναλισκόμενης ισχύος σε εκκενώσεις αίγλης. Αυτές οι τεχνικές μπορούν να μας προσφέρουν σημαντικές πληροφορίες για τους μηχανισμούς και τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα σε εκκενώσεις ραδιοσυχνότητας, οι οποίες αν στη συνεχεία αξιοποιηθούν να μας οδηγήσουν στον ακριβή προσδιορισμό και έλεγχο των συνθηκών. Στην εργασία αυτή αναλύονται μέθοδοι από τις οποίες προκύπτουν αποτελέσματα που αφορούν παραμέτρους του πλάσματος μέσω μετρήσεων τάσης, ρεύματος και διαφοράς φάσης σε κάποιο σημείο εξωτερικά του αντιδραστήρα. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα ηλεκτρικών μετρήσεων σε εκκενώσεις αργού που πραγματοποιήθηκαν σε μια χωρητικά συζευγμένη πηγή πλάσματος. Αρχικά παρουσιάζεται ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός της πηγής και αναλύονται τρεις μέθοδοι για τη μέτρηση και τον υπολογισμό της καταναλισκόμενης ισχύος της εκκένωσης. Στην πρώτη μέθοδο οι ηλεκτρικές μετρήσεις χρησιμοποιούνται για το προσδιορισμό ενός ισοδύναμου ηλεκτρικού κυκλώματος με κατανεμημένα στοιχεία (πυκνωτές, πηνία αντιστάσεις) το οποίο μπορεί να περιγράψει την εμπέδηση ανάμεσα στο σημείο μέτρησης εξωτερικά του αντιδραστήρα και την επιφάνεια του ηλεκτροδίου ραδιοσυχνότητας. Το ισοδύναμο αυτό κύκλωμα επιλύεται με βάση τους κανόνες του Kirchhoff και προκύπτουν οι τιμές της μιγαδικής τάσης και ρεύματος της εκκένωσης. Στη δεύτερη μέθοδο, η τάση καθώς και το ρεύμα της εκκένωσης υπολογίζονται μέσω ενός πίνακα ABCD, τα στοιχεία του οποίου έχουν υπολογιστεί από μετρήσεις σε ανοικτό και βραχυκυκλωμένο κύκλωμα. Η τρίτη μέθοδος, μοιάζει αρκετά με τη δεύτερη μόνο που έχει το πλεονέκτημα να είναι πιο απλή λόγω του ότι δεν απαιτεί τη μέτρηση της φάσης της εμπέδησης (της φάσης της τάσης σε σχέση με την τάση του ρεύματος). / Over the last decades, plasma processing has been widely used in various applications such as the deposition of thin films, surface modification, dry etching etc. As a result, radio-frequency discharges have attracted particular scientific interest. Despite the steps forward, there are still open issues especially concerning the design of plasma systems and the effective control of plasma parameters. A part of these issues is related to the electrical characterization of the stray impedance of the plasma electrode and the subsequent measurement and calculation of the real power consumption during the process. These techniques can lead to better understanding of the plasma processes and can also lead to more stable, reliable and almost ideal performing plasma systems. The aim of this study is to point out externally measured non-intrusive plasma parameters that could ease design, control and transferability of plasma conditions. In this work we demonstrate results of electrical characteristics of argon discharges carried out in a high vacuum capacitively coupled parallel plate reactor. Initially, the electrical characterization of the plasma reactor is presented and three methods for measuring and calculating the real power consumed in the discharge are analyzed.. At the first method, the electrical measurements are used to determine a simple equivalent circuit that can describe the parasitic impedances that interfere between the point of measurement and the RF electrode’s surface. The equivalent circuit model is then solved through Kirchhoff’s laws and values of the complex electrode’s voltage and current are obtained from the measured voltage and current at some point located outside the reactor. At the second method, the reactor is treated as a two-port network. The electrode’s voltage and current are calculated through the ABCD matrix of the reactor whose values a, b, c, d are extracted from open and short circuit measurements. The third method is a simplification of the second method as it does not require the phase of the impedance (the phase of the voltage relative to the current) for the calculations.

The aim of this study was to define and examin the capabilities of the low voltage transmission electron microscope LVEM 5 in the detection and identification of viruses, taking into consideration various contrasting agents, and a comparison to data from HV TEM.

Apresentamos neste trabalho uma técnica alternativa para a obtenção de filmes finos de silício amorfo hidrogenado (&#945-Si:H). Nós depositamos &#945-Si:H em um sistema de deposição que utiliza descarga luminescente a baixas freqüências (60Hz). Para tanto, nós projetamos todo o reator para que este objetivo pudesse ser atingido. Os filmes obtidos por nós mostram propriedades ópticas e eletrônicas bastante próximas aquelas dos filmes produzidos pela técnica convencional de descarga luminescente a radiofreqüência (13,56 MHz). A temperatura do substrato ótima para a técnica de descarga luminescente a baixas freqüências está na faixa 150-170&#176C, em torno de 100&#176C menor do que aquela usada para radiofreqüência. Neste trabalho nós apresentamos medidas das propriedades dos filmes, incluindo condutividade no escuro, fotocondutividade, comprimento de difusão ambipolar, absorção no infra-vermelho, gap óptico, e densidade de defeitos de níveis profundos. Para realizar parte destas medidas, nós construímos sistemas experimentais de caracterização exclusivos para o &#945-Si:H. / In this work we present an alternative technique for producing hydrogenated amourphous silicon thin films (&#945-Si:H). We deposited &#945-Si:H in a low-frequency (60 Hz) glow-discharge deposition system. For this purpose, we designed completely the reactor. The films we produced show electronic and optical properties nearly equivalent to those of films prepared by the conventional radio-frequency (13,56 MHz) glow-discharge technique. The optimal substrate temperature for the low-frequency glow-discharge technique is 150-170&#176C, about 100&#176C lower than that radio-frequency. In this work, we report measurements of film properties, including dark conductivity, photoconductivity, ambipolar diffusion lenght, infrared absorption, optical band gap, and deep defect density. To do these measurements, we assembled experimental systems used to characterize &#945-Si:H.

Fluidos em uma descarga brilhante à pressão atmosférica usando uma barreira de dielétrico DBD atraiu o interesse das comunidades de termo-dinâmica, fluido-dinâmica, e comunidades de controle. Este trabalho investiga os efeitos de um atuador de plasma operando numa voltagem e frequência de 8 kV e 4.4 kHz sobre a curva do Cp de um cilindro de PVC em baixa velocidade de escoamento. O experimento foi repetido com o atuador em vários ângulos no cilindro. Os resultados mostram uma aceleração do escoamento junto com um atraso da separação. Esses efeitos são maiores quando o atuador é posicionado num ângulo mais próximo da região da separação. / Fluids in a dielectric barrier DBD glow discharge at atmospheric pressure attracted the interest of the communities of thermo and fluid dynamics as well as control. This dissertation investigates the effects of a plasma actuator operating at 8 kV and 4.4 kHz, on the Cp curve of a PVC cylinder in a low velocity airflow. The experiment was repeated with the actuator at various angles. The results show an acceleration of the flow accompanied with a delay of the flow separation. These effects were shown to be larger when the actuator was positioned at an angle closer to the region of separation.

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The aim of the diploma thesis was the diagnostics of plasma generated in the atmosphere simulating conditions on Mars. This diploma thesis is focused on the simulation of Mars’ atmosphere at atmospheric pressure and normal laboratory temperature. Due to the similar conditions of Mars' atmosphere with Earth, this planet has been explored in the past as well as up to now. Mars' atmosphere is composed mostly of carbon dioxide, which makes up more than 90 % of Mars' atmosphere. A glow discharge generated in a special reactor at atmospheric pressure at a flow of pure CO2 was used to simulate the atmosphere of Mars. Part of the measurement was performed only in pure CO2 with changing current of 20, 25, 30, 35 and 40 mA. Part of the measurements was focused on the study of the effect of the addition of various gases, such as nitrogen, hydrogen and methane, at changes in their flow rates of 1, 2, 3, 4 and 5 sccm. The products formed in the special reactor were analysed using a mass spectrometer with proton ionization and with a flight time analyser. Optical emission spectrometry was used for plasma diagnostics and composition. Mainly simple aliphatic hydrocarbons, alcohols, aldehydes, and ketones were detected. With increasing flow rates of the individual gases, more complex aromatic compounds with higher molecular weights were formed. Corresponding mass and optical emission spectra were measured simultaneously.

This work studies discharge plasma in a mixture of gases, similar to that used in the so-called CO2-lasers. This mixture consists of CO2, N2 and He. The effect of the mixture composition and discharge parameters (especially pressure, in the range of 266 Pa - 100 kPa) on the distribution of energy in the vibrational levels of nitrogen was examined. This is important parameter for modelling of the discharge plasma. The effect of the mixture composition on the degree of dissociation of the CO2 molecules was also studied. The relative concentration of CO was applied to find the conditions leading to a minimal dissociation of the carbon dioxide. Measurements of radial profiles were also made. Results from two discharge tubes made from different materials were compared. Two types of discharge were utilized to acquire a wide pressure range - low pressure DC glow discharge in the range of 266 Pa to 1330 Pa and dielectric barrier discharge in the range of 5 kPa to 100 kPa. Both discharges are used in commercial CO2-lasers. We observed a descending dependence of the vibrational temperature on the pressure and a big step caused by increased occurrence of standing ionizing waves in the mixtures with low nitrogen ratio. Vibrational temperature in the DBD was markedly lower than in the DC GD, because of the...