DE102006026787A1

DE102006026787A1 - Verfahren und Vorrichtung zur selektiven Anregung einer Ionisation oder einer Dissoziation mit monochromatischem Licht

Info

Publication number: DE102006026787A1
Application number: DE102006026787A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr. Viöl
Original assignee: Fachhochschule Hildesheim Holzminden Gottingen
Current assignee: Fachhochschule Hildesheim Holzminden Gottingen
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2007-12-13
Also published as: WO2007141032A1

Abstract

Zur selektiven Anregung einer Ionisation von Atomen oder Molekülen oder einer Dissoziation von Molekülen mit monochromatischem Licht (1) wird das monochromatische Licht (1) auf die in einem physikalischen Plasma (6) befindlichen Atome oder Moleküle gerichtet.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur selektiven Anregung einer Ionisation von Atomen oder Molekülen oder einer Dissoziation von Molekülen mit monochromatischem Licht. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit einer Lichtquelle, insbesondere einem Laser, zum Bereitstellen von monochromatischem Licht für die selektive Ionisation von Atomen oder Molekülen oder für die selektive Dissoziation von Molekülen.
STAND DER TECHNIK
Atome oder Moleküle mit monochromatischem Licht selektiv zu ionisieren, ist beispielsweise aus der DE 198 20 626 A1 bekannt. Dort wird ein Verfahren zum Nachweis von Probenmolekülen beschrieben, bei dem aus einem die Probenmoleküle enthaltenden Gasgemisch ein Gasstrahl in einem Vakuum erzeugt wird. In einem Ionisationsbereich wird monochromatisches Licht auf den Gasstrahl gerichtet, das die Probenmoleküle in dem Gasstrahl durch Absorption von Photonen selektiv ionisiert. Dir Probenmolekülionen werden durch ein elektrisches Ziehfeld in ein Massenspektrometer gezogen und dort detektiert.
Aus G. Lombardi et al.: "Study of an H₂/CH₄ moderate pressure microwave plasma used for diamant deposition: modelling and IR tuneable diode laser diagnostic" in Plasma Sources Sci. Technol. 14 (2005) 440-450 ist es bekannt, in einem Methanmoleküle enthaltendem Gas ein Plasma über einem Substrat durch Mikrowellenanregung zu zünden, um Kohlenstoffatome aus dem Gas in Diamantstruktur auf dem Substrat abzuscheiden. Dabei werden Methylradikale und andere Kohlenstoff enthaltende Spezies durch Laserspektroskopie detektiert und quantifiziert, wozu ein Laserstrahl durch das Plasma hindurchgeführt wird, dessen Absorption registriert wird.
Neben der synthetischen Herstellung von Diamanten sind auch andere chemische Prozesse bekannt, die aus einem Plasma heraus oder in einem Plasma erfolgen, wobei hier wie in der gesamten vorliegenden Beschreibung mit einem Plasma immer ein physikalisches Plasma gemeint ist, d. h. ein gasartiges freie Elektronen und Ionen aufweisendes Gemisch, das durch starke Temperaturerhöhung aber beispielsweise auch "kalt" durch eine Gasentladung aus einer gasförmigen Ausgangssubstanz erzeugt werden kann.
Nachteil bekannter chemischer Reaktionen aus einem Plasma heraus oder in einem Plasma ist, dass sie häufig unspezifisch sind, d. h. nicht selektiv sondern gleichzeitig mit Begleitreaktionen erfolgen, die zu anderen als den gewünschten Reaktionsprodukten führen.
Die Anregung chemischer Reaktionen durch monochromatisches Licht ist im Vergleich zu der Anregung chemischer Reaktionen durch ein Plasma, insbesondere dann, wenn größere Mengen umgesetzt werden sollen, apparativ sehr aufwendig. Derartige Verfahren werden daher in aller Regel nur dann eingesetzt, wenn hiermit besondere Vorteile verbunden sind, so beispielsweise dann, wenn eine Isotopen-spezifische Ionisierung oder chemische Umsetzung genutzt wird, um eine Isotopentrennung durchzuführen.
Es ist auch bekannt, ein physikalisches Plasma allein mit Hilfe von hochenergetischem Laserlicht zu erzeugen oder eine Gasentladung in einem elektrischen Feld durch eingestrahltes Laserlicht zu zünden. Hierbei erfolgt keine selektive Ionisation von Atomen oder Molekülen oder Dissoziation von Molekülen, womit eine Energie- und damit Spezies-selektive Ionisation bzw. Dissoziation gemeint ist.
Aus R. Hippler et al. (Hrgs.): "Plasma-enhanced Laser Deposition (PLD)" in Low Temperature Plasma Physics, 493-495 ist es bekannt, einen Ablagerungsvorgang einer Substanz, die durch Bestrahlung eines Targets mit Laserlicht freigesetzt wird, auf einem Substrat dadurch zu unterstützen, dass die Substanz zwischen dem Target und dem Substrat in den Einwirkungsbereich eines Plasmas gerät, in dem sie chemisch reagiert. Die Reaktionsprodukte werden anschließend durch Beschuss mit Elektronen ionisiert und dann unter Einwirkung eines elektrischen Felds zu dem Substrat hin beschleunigt.
Weiterhin ist es aus A. Rousseau et al.: "Photocatalyst activation in a pulsed low pressure discharge" in Applied Physics Letters 87, 221501 (2005) bekannt, den Effekt des Kombinierens eines Plasmas und eine Photokatalysators zur Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen durch Laserabsorptionsspektroskopie zu untersuchen. Das Plasma wird durch eine gepulste Niederdruckgleichspannungsentladung erzeugt. Der Photokatalysator ist TiO₂, das durch Licht von Quecksilberlampen durch ultraviolette Strahlung angeregt wird.
Aus der US 4,624,736 ist es bekannt, das Plasmaätzen eines Substrats oder das Ablagern von Substanzen aus einem Plasma auf ein Substrat durch auf das Substrat gerichtetes Laserlicht zu unterstützen. Die jeweilige Modifikation des Substrats erfolgt nur dort, wo das Laserlicht auf das Substrat auftrifft und Reaktionen an der Oberfläche des Substrats auslöst.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders effektives und damit auch im großen Maßstab wirtschaftlich einsetzbares Verfahren zur selektiven Anregung einer Ionisation von Atomen oder Molekülen oder einer Dissoziation von Molekülen sowie eine dazu einsetzbare Vorrichtung aufzuzeigen.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 14 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens, während die Abhängigen Patentansprüche 16 bis 22 auf bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung gerichtet sind.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem neuen Verfahren wird das monochromatische Licht auf die in einem physikalischen Plasma befindlichen Atome oder Moleküle gerichtet. D. h., die angestrebte Ionisation bzw. Dissoziation erfolgt nicht nur aufgrund der Anregung durch das monochromatische Licht, sondern basiert auch darauf, dass sich die angeregt werdenden Atome oder Moleküle in dem physikalischen Plasma befinden.
Beispielsweise kann die Photonenenergie des monochromatischen Lichts, das auf die in dem physikalischen Plasma befindlichen Atome oder Moleküle gerichtet wird, kleiner sein als die Anregungsenergie eines der angestrebten Ionisation oder Dissoziation zugrunde liegenden Übergangs zwischen zwei energetischen Zuständen der Atome oder Moleküle. Konkret kann der Fehlbetrag an Energie 0,01 bis 10 % der Anregungsenergie ausmachen. Vorzugsweise liegt er zwischen 0,1 und 1 % und damit deutlich oberhalb von kT bei der Gastemperatur eines "kalten" Plasmas. Die Photonenenergie wird dadurch zu der benötigten Anregungsenergie ergänzt, dass dem Plasma Energie entzogen wird. So können bestimmte Ionisationen oder Dissoziationen mit besonderer Selektivität angeregt werden, selbst wenn deren Anregungsenergie nur wenig kleiner als die Anregungsenergie anderer Ionisationen oder Dissoziationen ist, die nicht angeregt werden sollen.
Alternativ oder zusätzlich können bei dem neuen Verfahren solche Atome oder Moleküle mit dem monochromatischen Licht ionisiert bzw. dissoziiert werden, die erst durch das Plasma entstehen bzw. freigesetzt werden. So können durch eine zum Zünden und/oder Aufrechterhalten des physikalischen Plasmas hervorgerufene Gasentladung Moleküle eines Ausgangsgases in die Atome oder Moleküle dissoziiert werden, die dann mit dem monochromatischen Licht selektiv ionisiert oder weiter dissoziiert werden. Durch das physikalische Plasma können aber auch Ionen erzeugt werden, die dann mit dem monochromatischen Licht selektiv weiter ionisiert oder bei Molekülen auch dissoziiert werden. In diesen Fällen läuft das neue Verfahren zweistufig ab, indem die Atome oder Moleküle, die mit dem monochromatischen Licht angeregt werden, erst durch das Plasma bereitgestellt werden.
Bei dem neuen Verfahren wird zwar die hohe Selektivität der Anregung mit dem monochromatischen Licht genutzt; gleichzeitig wird aber auch von der hohen Effektivität der Anregung durch das Plasma Gebrauch gemacht. In der Summe resultiert gegenüber reinen Anregungen mit monochromatischem Licht die angestrebte Wirtschaftlichkeit ohne einen wesentlichen Verlust an Selektivität.
Eine Gasentladung zum Zünden und/oder Aufrechterhalten des physikalischen Plasmas kann bei dem neuen Verfahren durch eine Wechselhochspannung hervorgerufen und dielektrisch behindert werden. Es ist grundsätzlich bekannt, ein Plasma durch eine von einer Wechselhochspannung hervorgerufene dielektrisch behinderte Gasentladung zu erzeugen. Dies ist vorteilhafter Weise auch bei Drücken im Bereich des Atmosphärendrucks möglich. Ein erhöhter Druck im Bereich des Plasmas bedeutet bei dem neuen Verfahren nicht nur die Möglichkeit, auf Unterdruckapparaturen zu verzichten, sondern auch eine sehr hohe mögliche Konzentration der interessierenden Atome und Moleküle in dem Plasma, da diese bei gleich bleibender Zusammensetzung proportional zu dem Druck ist.
Neben den schon näher beschriebenen Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens, bei denen die Ionisation oder Dissoziation mit dem monochromatischen Licht von Atomen bzw. Molekülen ausgeht, die bereits durch das Plasma angeregt wurden, ist es auch möglich, das neue Verfahren dazu einzusetzen, die Konzentration bestimmter Ionen, Atome oder Moleküle in dem physikalischen Plasma durch das monochromatische Licht selektiv zu erhöhen. Hierdurch wird dann auch die Selektivität aller auf diesen Ionen, Atomen oder Molekülen basierenden weiteren Schritte des Verfahrens, beispielsweise von chemischen Reaktionen, entsprechend erhöht. Das monochromatische Licht kann dabei die Konzentration der interessierenden Ionen, Atome oder Moleküle ausgehend von den Substanzen erhöhen, die in das Plasma eingebracht werden, oder ausgehend von Substanzen, die erst durch das Plasma zur Verfügung gestellt werden, wobei der letztere Schritt bevorzugt ist.
Wie bereits angesprochen wurde, kann mit der selektiven Ionisation der Atome oder Moleküle oder der selektiven Dissoziation der Moleküle bei dem neuen Verfahren eine chemische Reaktion ausgelöst werden. Diese chemische Reaktion kann innerhalb des Plasmas erfolgen.
Durch die selektive Dissoziation von Molekülen kann auch direkt, d. h. ohne weitere Folgereaktionen eine chemische Substanz in dem Plasma selektiv abgebaut werden, wenn beispielsweise die dissozierten Bestandteile der Moleküle ihrerseits stabil sind oder jedenfalls nicht wieder zu den dissoziierten Molekülen assoziieren.
Weiterhin ist es möglich, ein elektrisches Feld anzulegen, um mit dem monochromatischen Licht ionisierte Atome oder Moleküle aus dem Plasma heraus zu beschleunigen. Auf diese Weise werden die ionisierten Atome bzw. Moleküle von den weiteren Bestandteilen des Plasmas isoliert. D. h. sie können ohne die weiteren Bestandteile des Plasmas weiterverwendet werden.
Da in einem Plasma regelmäßig auch andere Ionen als die interessierenden mit dem monochromatischen Licht ionisierten Atome oder Moleküle vorliegen und diese anderen Ionen möglichst nicht oder nur in möglichst geringer Konzentration mit dem elektrischen Feld aus dem Plasma heraus beschleunigt werden sollten, kann das monochromatische Licht in Pulsen auf die Atome und Moleküle gerichtet werden, wobei das elektrische Feld mit dem gepulsten monochromatischen Licht synchronisiert angelegt wird. Auf diese Weise wird die Ausbeute an interessierenden Atomen und Molekülen bei den aus dem Plasma heraus beschleunigten Ionen erhöht.
Um die aus dem Plasma heraus beschleunigten Ionen nach ihrer Masse pro Ladung zu sortieren, kann zusätzlich ein magnetisches Feld angelegt werden. Eine derartige Massentrennung von Ionen ist ein dem Fachmann bekanntes Vorgehen.
In einer konkreten Anwendung des neuen Verfahrens können die ionisierten Atome oder Moleküle aus dem Plasma auf ein Substrat hin beschleunigt werden, um sie auf dem Substrat abzuscheiden. Dabei kann das Substrat beheizt werden, um die Beweglichkeit insbesondere kleinerer als der interessierenden Atome oder Ionen wieder von dem Substrat weg gezielt zu erhöhen. Hierdurch wird die Selektivität der Abscheidung auf dem Substrat in Bezug auf die interessierenden Atome und Moleküle erhöht.
In einem ganz konkreten Anwendungsfall des neuen Verfahrens können gasförmige kohlenstoffhaltige Moleküle in einer Gasentladung zum Zünden und/oder Aufrechterhalten des Plasmas zu Atomen und/oder Molekülen dissoziiert werden, die mit dem monochromatischen Licht zu C⁺-Ionen ionisiert werden, wobei die C⁺-Ionen in Diamantstruktur auf einem Substrat abgeschieden werden. Hierbei wird die Selektivität der Abscheidung von nur C⁺-Ionen auf dem Substrat durch das monochromatische Licht gegenüber einer reinen Abscheidung aus einem physikalischen Plasma signifikant erhöht.
Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens ist eine Plasmaquelle zum Bereitstellen eines physikalischen Plasmas vorgesehen, und die Lichtquelle ist auf das Plasma von dieser Plasmaquelle gerichtet, um darin befindliche Atome oder Moleküle mit dem monochromatischen Licht selektiv zu ionisieren oder darin befindliche Moleküle mit dem monochromatischen Licht selektiv zu dissoziieren.
Vorzugsweise weist die Plasmaquelle eine Gasentladungsstrecke auf, d. h. das Plasma wird auf nicht thermischem Wege erzeugt. Weiter vorzugsweise ist die Gasentladungsstrecke zumindest einseitig durch ein Dielektrikum begrenzt, d. h. die Gasentladung ist dielektrisch behindert. Wie bereits zu dem neuen Verfahren ausgeführt kann die Gasentladung so bei Atmosphärendruck aufrechterhalten werden, um ein Plasma bei Atmosphärendruck auszubilden. Weiterhin kann das Plasma so leicht ein potentialfreies Plasma sein.
Eine Beschleunigungsanordnung kann vorgesehen sein, um ein Ionen in dem Plasma beschleunigendes elektrisches Feld zu erzeugen. Dabei kann die Lichtquelle eine Pulslichtquelle, insbesondere ein Pulslaser sein, die mit der ein gepulstes elektrisches Feld erzeugenden Beschleunigungsanordnung synchronisiert ist. Eine Ablenkungsanordnung der neuen Vorrichtung, mit der eine aus dem Plasma beschleunigten Ionen einwirkendes magnetisches Feld erzeugbar ist, kann auf stromdurchflossenen Spulen und/oder Permanentmagneten basieren.
In Richtung der aus dem Plasma beschleunigten interessierenden Ionen kann eine Substrathalterung vorgesehen sein, um die Ionen – ggf. nach Abtrennung von anderen Ionen aus dem Plasma aufgrund ihrer Masse – auf einem hiervon gehaltenen Substrat abzuscheiden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der neuen Vorrichtung zur Durchführung einer ersten Ausführungsform des neuen Verfahrens zum Abbau einer chemischen Substanz.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der neuen Vorrichtung zur Durchführung einer zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens zum Abscheiden von Kohlenstoff in Diamantstruktur auf einem Substrat; und
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der neuen Vorrichtung zur Durchführung einer dritten Ausführungsform des neuen Verfahrens, bei dem ebenfalls Kohlenstoff in Diamantstruktur auf ein Substrat abgeschieden wird.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Plasmaquelle 10 auf. Die Plasmaquelle 10 umfasst zwei in einer Reaktionskammer 5 angeordnete Elektroden 2 und 3, die einander in einem konstanten Abstand gegenüberliegen, wobei vor der Elektrode 3 ein Dielektrikum 11 angeordnet ist. Ein Wechselhochspannungsgenerator 4 der Plasmaquelle 10 ist dazu vorgesehen, zwischen den Elektroden 2 und 3 eine hochfrequente Wechselhochspannung zu generieren. Diese Wechselhochspannung ruft zwischen den Elektroden 2 und 3 eine durch das Dielektrikum 11 behinderte Gasentladung hervor, durch die ein Plasma 6 gezündet und aufrecht erhalten wird. Die Zusammensetzung des Plasmas 6 bestimmt sich aus dem Gas in der Reaktionskammer 5. Sie umfasst freie Elektronen, Ionen sowie Radikale, d. h. außerhalb des Plasmas nicht stabile Komponenten, in einem gasartigen Zustand. Auf das Plasma 6 wird durch ein Fenster 7 der Reaktionskammer 5 monochromatisches Licht 1 von einer Lichtquelle 12 gerichtet, wobei ein Spiegel 13 an der gegenüberliegenden Seite der Reaktionskammer vorgesehen ist, um das in dem Plasma 6 noch nicht absorbierte Licht 1 in das Plasma zurückzureflektieren. Auch das Fenster 7 kann für aus dem Plasma 6 kommendes Licht reflektierend ausgebildet sein. Mit dem monochromatischen Licht 1 werden Bestandteile des Plasmas 6 selektiv ionisiert oder dissoziiert. Konkret geht es bei dem vorliegenden Beispiel darum, eine in der Reaktionkammer 5 enthaltene Substanz mit Hilfe des Plasmas 6 und des monochromatischen Lichts 1 möglichst vollständig abzubauen. Dazu kann das Plasma 6 die Moleküle der Substanz dissoziieren und das monochromatische Licht 1 kann die dissoziierten Bestandteile weiter dissoziieren, so dass diese nicht wieder zu der abzubauenden Substanz assoziieren können. Das Plasma 6 kann aber auch einen Teil der Anregungsenergie für eine erst mit dem monochromatischen Licht 1 herbeigeführte Dissoziation der abzubauenden Substanz bereitstellen. Weiterhin ist es möglich, dass das Plasma 6 reaktive Substanzen bereitstellt, die mit der durch das monochromatische Licht 1 angeregten abzubauenden Substanz reagieren oder mit durch das monochromatische Licht 1 dissoziierten Bestandteilen der abzubauenden Substanz. In jedem Fall wird der Abbau der Substanz durch ein Zusammenwirken des Plasmas 6 und des monochromatischen Lichts 1 erreicht, wobei das monochromatische Licht 1 auf die Atome und Moleküle in dem Plasma 6 einwirkt, worunter auch Radikale und ionisierte Atome, Moleküle und Radikale zu versehen sind.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 2 ist nicht nur vor der Elektrode 3 sondern auch vor der Elektrode 2 ein Dielektrikum 11 vorgesehen. Hieraus resultiert ein insgesamt symmetrischer Aufbau der Plasmaquelle 10. Die von dem Wechselhochspannungsgenerator 4 angelegte Wechselhochspannung ist ebenfalls symmetrisch um den Spannungsnullpunkt, d. h. das Erdpotential. So wird ein potentialfreies Plasma 6 erzeugt. Neben der Gasentladungsstrecke zwischen den Elektroden 2 und 3, d. h. neben dem Plasma 6 ist hier ein Substrat 8 angeordnet, das über eine Gleichspannungsquelle 9 mit einem Beschleunigungspotential beaufschlagt ist. Dieses Beschleunigungspotential saugt Ionen aus dem Plasma 6 ab, um sie auf dem Substrat 8 abzuscheiden. Dabei kann das Absaugpotential in Pulsen an das Substrat 8 angelegt werden, die mit Pulsen des monochromatischen Lichts 1 von der Lichtquelle 12 synchronisiert sind. So ist es möglich, durch das monochromatische Licht 1 erzeugte Ionen selektiv aus dem Plasma 6 abzusaugen und nicht die in dem Plasma 6 ohne das monochromatische Licht 1 vorhandene Ionenverteilung.
Konkret kann die Vorrichtung gemäß 2 zur Abscheidung von Kohlenstoff in Diamantstruktur auf dem Substrat 8 verwendet werden. Hierzu werden kohlenstoffhaltige Moleküle, wie CH₄, in die Reaktionskammer eingeführt. Diese kohlenstoffhaltigen Moleküle werden in der Gasentladung zwischen den Elektroden 2 und 3 durch Elektronenstöße zu CH₃, CH₂, CH und C dissoziiert. (Als weitere Gaskomponenten können in der Reaktionskammer H₂ und geringe Mengen an O₂ vorliegen.) Durch das monochromatische Licht werden Kohlenstoffradikale C, die in dem Plasma 6 vorliegen, gezielt zu C⁺ ionisiert, wozu die Wellenlänge des monochromatischen Lichts genau auf die Anregungsenergie dieser Ionisierung abgestimmt ist. Dies kann bedeuten, dass die Photonenenergie des monochromatischen Lichts 1 genauso groß ist wie die Anregungsenergie oder etwas kleiner (s. o.). Durch das Absaugpotential werden die C⁺-Ionen aus dem Plasma heraus auf das Substrat abgesaugt, wo sie sich in Diamantstruktur ablagern. Dabei ist die Absaugspannung so zu wählen, dass an der Oberfläche des Substrats 8 ein für die Ausbildung der Diamantstruktur benötigter hoher Druck lokal ausgebildet wird. Neben der bereits erwähnten Möglichkeit, das Potential des Substrats synchron zu der Lichtquelle 12 zu pulsen, kann auch ein Magnetfeld parallel zum Substrat ausgebildet werden, um die leichteren H⁺-Ionen von dem Substrat weg abzulenken. Das Substrat 8 kann auch zur Erhöhung der Beweglichkeit der C-Atome, damit sich diese in der Diamantstruktur anordnen können, beheizt werden. Diese Beheizung führt überdies dazu, dass die Beweglichkeit sich ungewollt auf dem Substrat 8 abscheidender H-Atome so groß ist, dass sie sich wieder von dem Substrat 8 ablösen.
Die in 3 skizzierte Vorrichtung weist als Plasmaquelle 10 einen Plasmajet 14 auf, der in an sich bekannter Weise ausgebildet ist und das Plasma 6 in Form eines Plasmastrahls 15 abgibt. Das monochromatische Licht 1 kreuzt den Plasmastrahl 15 und regt auch hier wieder selektiv eine Ionisierung bestimmter Bestandteile des Plasmas 6 an, die dann durch ein von der Gleichspannungsquelle 9 an das Substrat 8 angelegtes Absaugpotential auf das Substrat 8 hin beschleunigt werden, um sich darauf abzuscheiden. Eine Reaktionskammer 5 ist in 3 nicht dargestellt, obwohl sie auch hier den Bereich der folgenden Reaktionen umschließen könnte. Mit einem Plasmajet 14 ist aber genauso wie mit einer dielektrisch behinderten Entladung gemäß den 1 und 2 ein Plasma 6 bei Atmosphärendruck erzeugbar, so dass die neue Vorrichtung keine spezielle Unterdruckkammer aufweisen muss.

1: monochromatisches Licht
2: Elektrode
3: Elektrode
4: Hochspannungsgenerator
5: Reaktionskammer
6: Plasma
7: Fenster
8: Substrat
9: Gleichspannungsquelle
10: Plasmaquelle
11: Dielektrikum
12: Lichtquelle
13: Spiegel
14: Plasmajet
15: Plasmastrahl

Claims

Verfahren zur selektiven Anregung einer Ionisation von Atomen oder Molekülen oder einer Dissoziation von Molekülen mit monochromatischem Licht, dadurch gekennzeichnet, dass das monochromatische Licht (1) auf die in einem physikalischen Plasma (6) befindlichen Atome oder Moleküle gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photonenenergie des monochromatischen Lichts (1), das auf die in dem physikalischen Plasma (6) befindlichen Atome oder Moleküle gerichtet wird, um 0,01 bis 10 %, vorzugsweise um 0,1 bis 1 %, kleiner ist als die Anregungsenergie eines der Ionisation oder Dissoziation zugrunde liegenden Übergangs zwischen zwei energetischen Zuständen der Atome oder Moleküle.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zum Zünden und/oder Aufrechterhalten des physikalischen Plasmas (6) hervorgerufene Gasentladung Moleküle eines Ausgangsgases in die Atome oder Moleküle dissoziiert werden, die dann mit dem monochromatischen Licht (1) selektiv ionisiert oder weiter dissoziiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasentladung zum Zünden und/oder Aufrechterhalten des physikalischen Plasmas (6) durch eine Wechselhochspannung hervorgerufen und dielektrisch behindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasentladung zum Zünden und/oder Aufrechterhalten des physikalischen Plasmas (6) bei Atmosphärendruck hervorgerufen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration bestimmter Ionen, Atome oder Moleküle in dem physikalischen Plasma (6) durch das monochromatische Licht (1) selektiv erhöht wird.
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die selektive Ionisation der Atome oder Moleküle oder die selektive Dissoziation der Molekülen eine mit dem monochromatischen Licht (1) eine chemische Reaktion in dem Plasma (6) ausgelöst wird.
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die selektive Dissoziation der Moleküle eine chemische Substanz in dem Plasma (6) selektiv abgebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Feld angelegt wird, um die mit dem monochromatischen Licht (1) ionisierten Atome oder Moleküle aus dem Plasma (6) heraus zu beschleunigen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das monochromatische Licht (1) in Pulsen auf die Atome und Moleküle gerichtet wird und dass das elektrische Feld mit dem gepulsten monochromatischen Licht (1) synchronisiert angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein magnetisches Feld angelegt wird, um die ionisierten Atome oder Moleküle aufgrund ihrer Masse pro Ladung zu sortieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ionisierten Atome oder Moleküle auf ein Substrat (8) hin beschleunigt werden, um sie auf dem Substrat (8) abzuscheiden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (8) beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmige kohlenstoffhaltige Moleküle in einer Gasentladung zum Zünden und/oder Aufrechterhalten des Plasmas (6) zu Atomen und/oder Molekülen dissoziiert werden, die mit dem monochromatischen Licht (1) zu C⁺-Ionen ionisiert werden, wobei die C⁺-Ionen in Diamantstruktur auf dem Substrat (8) abgeschieden werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer Lichtquelle, insbesondere einem Laser, zum Bereitstellen von monochromatischem Licht für die selektive Ionisation von Atomen oder Molekülen oder für die selektive Dissoziation von Molekülen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmaquelle (10) zum Bereistellen eines physikalischen Plasmas (6) vorgesehen ist und dass die Lichtquelle (12) auf das Plasma (6) gerichtet ist, um darin befindliche Atome oder Moleküle mit dem monochromatische Licht (1) selektiv zu ionisieren oder darin befindliche Moleküle mit dem monochromatische Licht selektiv zu dissozieren.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle (10) eine Gasentladungsstrecke aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentladungsstrecke durch ein Dielektrikum (11) begrenzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle (10) ein potentialfreies Plasma (6) erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschleunigungsanordnung vorgesehen ist, die ein Ionen in dem Plasma beschleunigendes elektrisches Feld erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Pulslichtquelle, insbesondere ein Pulslaser, ist, die mit der ein gepulstes elektrisches Feld erzeugenden Beschleunigungsanordnung synchronisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ablenkungsanordnung mit mindestens einer Spule oder einem Permanentmagneten vorgesehen ist, um ein auf die beschleunigten Ionen einwirkendes magnetisches Feld zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der beschleunigten Ionen eine Substrathalterung vorgesehen ist.