In dieser Arbeit werden Grundlagen und Anwendungen der Gasphasen Elektrodeposition erarbeitet. Der Begriff steht für ein Zusammenspiel von Aerosolphysik und konventioneller Abscheidungstechnologie. Das aus einer Funkenentladung erzeugte Material wird durch einen Plasmastrahl direkt zu Punkten auf einem Substrat transportiert, wo sich das Material lokal oder in Mikrofilmen abscheidet. In dieser Arbeit wurden drei entscheidende theoretische Aspekte (i-iii) und drei praktische Aspekte (iv-vi) herausgearbeitet. (i) Die beiden Schlüsselparameter Funkenentladungsleistung und Trägergasfluss beeinflussen den von den geladenen Spezies getragenen elektrischen Strom, die erzeugte Masse/Größe der Nanopartikel und die resultierende Mikro-/Nanostrukturmorphologie. Langmuir-Sonden-Messungen zeigen mindestens zwei Transportzonen – eine vom Gasfluss dominierte und eine vom elektrischen Feld dominierte Zone. Die Gasströmung ist der Hauptfaktor, nicht nur für die Partikelgeschwindigkeit in der Transportzone, sondern auch für die Verteilung des elektrischen Potenzials und des elektrischen Feldes im Reaktor. In der Nähe des Substrats bildet sich ein elektrischer Feldgradient aus. Der Transport wechselt von der Gasströmung zum E-Feld. Die Komponente des elektrischen Feldes zeigt zur Oberfläche hin. (ii) Der elektrische Strom und die gravimetrische Analyse zeigen, dass die Stickstoff Ionen im Vergleich zu den erzeugten Metallpartikeln deutlich in der Überzahl sind. In Anbetracht der Mikro-/Nanostrukturmorphologie erweist sich die Leistung der Entladung als der wichtigste Parameter. Eine niedrige Funkenleistung in Verbindung mit einem geringen Gasfluss führt zu dendritischen Partikeln. Im Gegensatz dazu führt eine höhere Funkenleistung in Verbindung mit einem höheren Gasfluss zu kompakten Schichten. Dieses zweidimensionale Parameterfeld ermöglicht eine maßgeschneiderte Schichtmorphologie und Abscheiderate. (iii) Bei konstantem Gasdurchsatz führt ein kleinerer Reaktordurchmesser zu einem turbulenteren Strömungsverhalten. Dieses Verhalten ist unabhängig vom Gaseinlass, der die Partikelkonzentration im Plasmastrahl beeinflusst. Ein statistisches Modell führt zu einem besseren Verständnis der Gasphasen Elektrodeposition. Zusätzlich zur üblichen Standarddiffusion treten in eine bestimmte Richtung auch lange super-diffusive Flüge der erzeugten Teilchen auf, wenn ein zusätzliches elektrisches Feld vorhanden ist. Die gewonnenen theoretischen Erkenntnisse halfen bei der Gasphasen Elektrodeposition von (iv) Mikrofilmen, (v) lokalisierten selbstausrichtenden lateralen Metall-Nanobrücken und (vi) lokalisierten selbstausrichtenden vertikalen Leiterbahnen.
This thesis presents fundamentals and applications of gas phase electrodeposition. The term stands for an interplay between aerosol physics and conventional deposition technology. Generated material from a spark discharge is direct transported by a plasma jet to points onto a substrate where the material deposits locally or in microfilms. During this work three crucial theoretical aspects (i-iii) and three practical aspects (iv-vi) have been elaborated. (i) The two key parameters spark discharge power and carrier gas flow rate affect the electrical current carried by charged species, the generated nanoparticle mass / size and the resulting micro- / nanostructure morphology. Langmuir Probe measurements reveal at least two transport zones - a gas flow dominated, and an electric field dominated zone. The gas flow is the main driver, not only for the particle velocity in the transport zone but also for the distribution of the electrical potential and electric field in the reactor. Close to the substrate an electrical field gradient emerges. The transport changes from gas flow driven to E-field driven. The electric field component points to the surface. (ii) Electrical current and gravimetric analysis indicate that nitrogen ions are in the clear majority compared to the generated metal particles. Considering the micro- / nanostructure morphology, the power of the discharge turns out to be the most relevant parameter. Low spark power combined with low gas flow leads to dendritic film growth. In contrast, higher spark power combined with higher gas flow produces compact layers. This two-dimensional parameter field enables a tailored film morphology and deposition rate. (iii) At a constant gas flow rate, a smaller reactor diameter leads to a more turbulent flow behavior. This behavior is independent from the gas inlet, which affects the particle concentration within the plasma jet. A statistical model leads to a better understanding of gas phase electrodeposition. The model implements that added to usual standard diffusion with random walks in a certain direction, long super diffusive flights occur to generated particles as well by the help of an additional electrical field. The gained theoretical knowledge helped to develop the gas phase electrodeposition of (iv) microfilms, (v) localized self-aligning lateral metal nanobridges, and (vi) localized self-aligning vertical metal interconnects.
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