Elektrochemie und Grenzflächenkinetik in Niedertemperaturgasplasmen

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die mögliche Verwendung von Gasplasmen als kontaktlose Elektroden untersucht und anhand der Modellsysteme ZnO und SiO2 beispielhaft erläutert. Mit Hilfe dieser Modellsysteme wird gezeigt, wie basierend auf Widerstandsmessungen die Kinetik der anodischen Plasmaoxidation der Metalle untersucht werden kann. Die Wachstumskinetik von ZnO in Mikrowellenplasmen wird auf diese Weise aufgezeichnet und analysiert. Dabei deutet das beobachtete lineare aber nicht faradaysche Wachstum von ZnO eher auf eine phasengrenzkontrollierte als auf eine diffusionskontrollierte Reaktion hin. Im Vergleich zum logarithmischen Verlauf der thermischen Reaktion bei entsprechender Temperatur (T = 280 °C) ist die Deckschichtbildung dennoch erheblich beschleunigt. Des Weiteren wird aufgezeigt, dass die Variation des elektrischen Potenzials des Substrats die Morphologie der sich bildenden ZnO Deckschicht verändern kann. Im Rahmen der Silicium-Oxidation wird der Einfluss des Plasmas und des elektrischen Feldes in Bezug auf die Elektrochemie von Festkörperreaktionen interpretiert, wobei das quasi-parabolische Wachstumsgesetz angewandt wird. Abschließend werden erste Experimente zur Reduktion von Ytrrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) in Stickstoffplasmen gezeigt. Die Experimente werden mit einer selbstkonstruierten Mikrowellenplasmen- Downstream -Quelle durchgeführt, wobei der Fokus bei der Optimierung der Anlage darauf lag, hohe Stromdichten bei niedriger Gastemperatur (T < < 200 °C) zu erzielen.

Within the scope of the experiments the possible use of plasmas as contactless electrodes is exemplified with the model systems ZnO and SiO2. The monitoring of the plasma anodic oxidation of the metals by means of resistance measurements is described and the prospects of this method are demonstrated. In a first application the growth kinetics of ZnO in microwave plasmas is monitored and analysed. The linear non faradaic growth kinetics indicate a phase-boundary controlled reaction rather than a diffusion controlled one. Compared with the logarithmic tarnishing reaction under thermal conditions (T = 280 °C) the growth process is vastly accelerated. It is further shown that varying the electric bias of the substrate can influence the morphology of the growing ZnO. In the case of Si oxidation the influence of the electric currents and the plasma are discussed with respect to the electrochemistry of oxides. In this context the quasi-parabolic rate law is applied. Concluding first experiments applying a plasma electrode to the reduction of yttria stabilized zirconia (YSZ) in nitrogen plasmas are presented. For the experiments a microwave downstream reactor has been contructed with the focus on high current densities at low gas temperatures (T < < 200 °C).