Absorptionsspektroskopie an molekularen Gasen

Transkript

1 an molekularen Gasen Paul Katolla Tobias Krähling Ruhr-Universität Bochum Seminar zum Fortgeschrittenen-Praktikum der Physik 24. Juni 2009

2 Übersicht /31

3 Warum Plasmadiagnostik? Plasmaparameter: Temperaturen, Drücke, Dichten, Zusammensetzung, eingekoppelte Leistung,... wichtig u. a. für Steuerung von Plasmaprozessen (z. B. Beschichtung, Ätzen) Verständnis der Plasmachemie Eigenschaft von Plasmen»your working gas mixture input gas mixture«(at high dissociation degree) Zitat von Prof. Winter aus seinem Vortrag am bei der European Summer School on Low Temperature Plasma Physics: Basics and Applications (aus: Engeln 2008) 3/31

4 Warum Plasmadiagnostik? Plasmaparameter: Temperaturen, Drücke, Dichten, Zusammensetzung, eingekoppelte Leistung,... wichtig u. a. für Steuerung von Plasmaprozessen (z. B. Beschichtung, Ätzen) Verständnis der Plasmachemie Eigenschaft von Plasmen»your working gas mixture input gas mixture«(at high dissociation degree) Zitat von Prof. Winter aus seinem Vortrag am bei der European Summer School on Low Temperature Plasma Physics: Basics and Applications (aus: Engeln 2008) 3/31

5 Grundprinzip Grundprinzip: Messung des transmittierten Lichts durch eine Probe Lambert-Beer sches Gesetz I ν (x) = I 0 exp { α ν nx } ; α ν = S g ν α ν : Absorptionskoeffizient n: (liniengemittelte) Teilchendichte x: Probenlänge S: Linienstärke (tabellierte Werte) g ν : Linienprofil 4/31

6 Absorptionsprofil Intensität I 0 I ν Frequenz Definition des Absorptionsprofils A ν := 1 I ν I 0 = 1 exp{ α ν nl} = 1 exp{ Sg ν nl} (bei fester Absorptionslänge L) 5/31

7 Probleme und alternative Methoden Problem: Intensitätsänderung durch Absorption sehr klein schlechtes S/BG-Verhältnis Alternative Methoden: Betrachtung der Flächen im Absorptionsprofil Verlängerung der Absorptionslängen (Mehrfachdurchgänge) Messung der Absorptionsrate (CRDS, Cavity Ring-Down-Spektroskopie) Einsatz von phasensensitiven Methoden (z. B. Modulationsspektroskopie) Messung von durch Absorption induzierte Parameter (z. B. Fluoreszenz, Ionisation) 6/31

8 Möglichkeiten der Aufnahme von Absorptionsspektren ermöglichen u. a.: Identifizierung von Teilchensorten über Vergleich von Spektren Bestimmung von Temperatur Teilchendichte über Abtastung des Linienprofils g ν mit schmalbandiger Strahlungsquelle 7/31

9 Übersicht Emissions- und Absorptionslinien nicht diskret Verbreiterung und Verschiebung durch physikalische Effekte Linienprofil Mechanismen: natürliche Linienbreite Dopplerverbreiterung Stoßverbreiterung... 8/31

10 Natürliche Linienbreite angeregtes Teilchen mit Zustandslebensdauer τ i Energie nach Unschärferelation E τ h Frequenzunschärfe ν i k = E i + E k h = 1 ( 1 2π τi + 1 τ k ) Lorentzprofil g HWHM L (x) = 1 πγ x 2 ; γ = ln(2) τ ; x ν ν 0 γ mit der Wellenzahl ν ν c = 1 λ 9/31

11 Doppler-Verbreiterung Resultiert aus der Bewegung der Teilchen im thermischen Gleichgewicht Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung Gaußprofil g HWHM D (x) = 1 γ D γ D = ν 0 c ln(2) π exp { ln(2)x 2} 2kB T ln(2) M 10/31

12 Stoßverbreiterung Dominierend sind in diesem Versuch inelastische Stöße Übertragung von Anregungsenergie als kinetische Energie auf Stoßpartner (stoßinduzierte Relaxation) Änderung der Besetzungszahl der Zustände Reduzierung der effektiven Zustandslebensdauer Verbreiterung der Spektrallinie mit Lorentzprofil 11/31

13 Stoßverbreiterung (forts.) Abhängig vom Druck bzw. Dichte Bezeichnung: Druckverbreiterung (Eigendruckverbreiterung bei gleichen Teilchen) Profilparameter des Lorentzprofils/Halbwertsbreite γ L = p p 0 γ 0 γ 0 : Verbreiterungsparameter bei Normbedingungen p 0 : Normdruck (1013 mbar) 12/31

14 Vergleich Gauß- und Lorentzprofil Gauß Lorentz g( ν) Gauß g D (ν) exp { ( ) ν ν 2 } 0 γ D γ Lorentz g L (ν) 1 1+( ν ν0 γ L ) 2 ν 0 ν 13/31

15 Überlagerung der Mechanismen zur Linienverbreiterung Mechanismen treten nicht isoliert auf Dopplerverbreiterung dominiert bei Raumtemperatur und kleinen Drücken (p < 10 mbar) Stoßverbreiterung dominiert bei hohen Drücken (p > 50 mbar) im Übergangsbereich Überlagerung (mathematisch durch Faltung der Profile Voigt-Profil) relative Absorption Gauss Lorentz Voigt Halbwertsbreite Gauss Lorentz Voigt 14/31 Druck Druck

16 Eigenschaften Vorteile von n schmalbandige spektrale Strahlungsmoden für verschiedene Wellenlängen verfügbar spektral durchstimmbar Typen von n Heterostruktur-Halbleiter für sichtbaren Bereich bis nahes Infrarot Betrieb bei Raumtemperatur hohe Leistung ( 10 mw) Bleisalz- für fernes Infrarot Blei-Chalkogenid-Verbindungen Schwellenstrom bei Raumtemperatur hoch Kühlung auf kryogene Temperaturen (T < 100 K) notwendig 15/31

17 Aufbau Diodenstrom Metallkontakt p-schicht pn-übergang n-schicht Metallkontakt aktive Zone Laserintensität planparallele Resonatorfläche. ISchwelle Strom pn-übergang in Durchlassrichtung Injektionsstrom ab Schwellenstrom führt zur Besetzungsinversion Resonator durch planparallele Stirnflächen stark divergent durch Beugung (aktive Zone 50 µm) 16/31

18 Aufgabenstellung Aufgabenstellung Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Messung an Methangas Aufnahme des Absorptionsprofils für Methangas (CH 4 ) bei verschiedenen Drücken Bestimmung der Halbwertsbreite, relativen Absorption sowie der Linienprofilart in Abhängigkeit des Drucks Messung an einem Methanplasma Aufnahme der Absorptionsprofile eines Methanplasma bei verschiedenen Leistungseinkopplungen Bestimmung der Methanteilchendichte im Plasma in Abhängigkeit der eingekoppelten Leistung 17/31

19 Versuchsaufbau Aufgabenstellung Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Plasmareaktor Detektor NaCl-Fenster OAP: Off-Axis Parabolspiegel CP: Chopper SP: Spiegel Justagelaser ST: Strahltreiler SP2 OAP ST SP4 CP SP3 SP1 : λ 1,648 µm Detektor: HgCdTe-Detektor, N 2 -gekühlt 18/31

20 Messtechnik und Steuerungskomponenten Aufgabenstellung Versuchsaufbau Versuchsdurchführung 247Hz RefOut RefIn Choppersteuerung Lock-In- Verstärker In CH1 Oszilloskop GPIB nur zur Kontrolle CH2 Funktions- Generator Spannungsteiler Out 100mHz 1V 10mV Out ModExt Detektor/ Vorverstärker Computer Lasersteuerung 19/31

21 Versuchsdurchführung Justierung des Aufbaus Aufgabenstellung Justagelaser Versuchsaufbau Versuchsdurchführung OAP ST CP Blende Detektor SP1 SP4 SP3 OAP: Off-Axis Parabolspiegel CP: Chopper SP: Spiegel ST: Strahltreiler 20/31

22 Versuchsdurchführung Justierung des Aufbaus Aufgabenstellung Justagelaser Justagelaser Versuchsaufbau Versuchsdurchführung OAP ST CP Blende Detektor SP1 OAP ST CP Blende Detektor SP1 SP4 SP3 SP4 SP3 OAP: Off-Axis Parabolspiegel CP: Chopper SP: Spiegel ST: Strahltreiler 20/31

23 Versuchsdurchführung an Methangas Aufgabenstellung Versuchsaufbau Versuchsdurchführung 1 Spülung des evakuierten Plasmareaktors mit Methan 2 1. Messreihe: 4 Messungen bei aufsteigendem Druck (p = 3, ,48 mbar) 3 2. Messreihe: 15 Messungen bei fallendem Druck (p = 5, ,20 mbar) Regelung des Methangasdruck über Vakuumpumpen- und Methanzuführungsventil 21/31

24 Versuchsdurchführung an einem Methanplasma Aufgabenstellung Versuchsaufbau Versuchsdurchführung 1 Methangasdruck wurde auf 1,42 mbar eingestellt 2 Zündung des Methanplasmas 3 6 Messungen bei steigender eingekoppelter Leistung (P = W) RF CCP-Plasmareaktor (f = 13,56 MHz) Impedanzanpassung zur Vermeidung von Leistungsreflektionen notwendig (Matchbox) Quelle: AG Reaktive Plasmen, Ruhr-Uni Bochum 22/31

25 Kalibrierung Methangas Methanplasma U [mv] 0,34 0,32 0,30 0,28 0,26 0, ,34 ν Maxima cm , , , /31 κ = ν 2 ν 1 P( ν 1 ) P( ν 2 ) = 3, cm 1 U [m V ] 0,32 0,30 M e s s d a te n 0,28 1. L in ie 2. L in ie 3. L in ie 4. L in ie 0, , , , , ,20 W e lle n z a h l [c m -1 ] p = 4,6 6 m b a r

26 Bestimmung der Linienprofilart bei Methangas Methangas Methanplasma Theoretisch soll die Dopplerverbreiterung dominieren (p < 10 mbar) Gaußprofile Prüfung der Profilform exemplarisch bei p = 5,0 mbar Anpassung bei unterschiedlichen Profilannahmen Gauß-Profil Voigt-Profil Lorentz-Profil χ 2 3, , , R 2 99,95% 98,77% 95,16% Gaußprofil liegt vor 24/31

27 Bestimmung der Linienprofilart bei Methangas Methangas Methanplasma Theoretisch soll die Dopplerverbreiterung dominieren (p < 10 mbar) Gaußprofile Prüfung der Profilform exemplarisch bei p = 5,0 mbar Anpassung bei unterschiedlichen Profilannahmen Gauß-Profil Voigt-Profil Lorentz-Profil χ 2 3, , , R 2 99,95% 98,77% 95,16% Gaußprofil liegt vor 24/31

28 Druckabhängigkeit der Halbwertsbreite bei Methangas Methangas Methanplasma volle Halbwertsbreite γ FWHM [cm -1 ] 0,025 0,020 0,015 0,010 Fit-Modell: y = y0 + bx ν y0 b R 2 cm 1 cm 1 cm 1 /mbar % 6067, , , , , , , , , ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 Halbwertsbreite konstant bei kleinen Drücken 25/31

29 Druckabhängigkeit der rel. Absorption bei Methangas Methangas Methanplasma relative Absorption 0,25 0,20 0,15 0,10 Fit-Modell: y = y0 + A exp { x t ν cm 1 t mbar 1 χ y0 A 6067,1531 1,09 1, ,4 6067,0982 0,98 0, ,2 6067,0830 0,93 0, ,2 } 0,05 0,00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 Bestätigung der exponentielle Abhängigkeit der rel. Absorption vom Druck 26/31

30 Bestimmung der Teilchendichte in einem Methanplasma Methangas Methanplasma Flächeninhalt F unter dem Absorptionsprofils ist proportional zur Teilchendichte n Teilchendichte n für Referenzwert (P = 0 W, T = 298 K) über ideales Gasgesetz: n = p k B T Teilchendichte im Plasma lässt sich bestimmen über n(p) = F(P) n(p 0) F(P 0 ) 27/31

31 Methanteilchendichte in Abhängigkeit der Plasmaleistung Methangas Methanplasma Methanteilchendichte [10 11 Teilchen/cm 3 ] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 Fit-Modell: y = A exp { x t A t Teilchen/cm 3 W χ 2 3, ,01 } Leistung [W] Methanteilchendichte sinkt bei steigender Plasmaleistung exponentielle Abnahme 28/31

32 Die Justage hat wesentlichen Einfluss auf das S/BG-Verhältnis. Bei kleinen Drücken ist die Dopplerverbreiterung für das Linienprofil dominierend. Plasmaparameter "Teilchendichte" ist über bestimmbar. 29/31

33 Literatur Demtröder. Laser Spectroscopy: Basic Concepts and Instrumentation. Springer Verlag Berlin, 3. Auflage 2003 Demtröder. Experimentalphysik 3: Atome, Moleküle und Festkörper. Springer Verlag Berlin, 3. Auflage 2005 Engeln. Plasma Diagnostics IV how to study molecule formation in plasmas. 13. European Summer School on Low Temperature Plasma Physics: Basics and Applications, Bad Honnef, 2008 Kneubühl und Sigrist. Laser. Teubner-Studienbücher: Physik. Teubner Verlag, 4. Auflage 1995 Sadeghi. Laser based absorption diagnostic techniques of plasmas and associated artifacts. 13. European Summer School on Low Temperature Plasma Physics: Basics and Applications, Bad Honnef, /31

34 Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit! 31/31