In-situ studies of atmospheric-pressure dielectric barrier plasma treatment of zinc alloys and zinc oxides
Creators: name: Knust, Steffen Christian
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2021

description: Diese Doktorarbeit behandelt die Anwendung von Atmosphärendruckplasmen zur Oberflächenbehandlung. Im ersten Teil wurde die industriell relevante Plasmabehandlung von ZnMgAl-Legierungen untersucht, deren Ergebnisse in einem zweiten Teil mit der grundlegenden Betrachtung der Plasma/Oberflächen-Interaktion korreliert werden konnten. Auf ZnMgAl führte eine ausführliche Oberflächencharakterisiserung zur Identifizierung von fünf verschiedenen plasmainduzierten Oberflächenänderungen: (i) Konversion von Carboxylaten zu Carbonaten, (ii) ätzen von aliphatischen Kohlenstoffe, (iii) Migration von Metallen, (iv) eine Erhöhung der Oxidschichtdicke und(v) eine Homogenisierung des Oberflächenpotentials. Die Stärke der Veränderungen wurde von der Zusammensetzung des Plasmagases bestimmt. Um weitere Einblicke in die Interaktion des Plasmas mit der Oberfläche zu erlangen wurde ein neuartiger Rückseitenaufbau entwickelt, der die Oberflächenveränderungen in-situ und in Echtzeitauf der Rückseite eines Stahlnetzes mittels Raman und DRIFTS nachverfolgen kann. In einem weiteren Ansatz wurde die Oberfläche mit einer selbst-organisierten Monolage funktionalisiert. Mittels DRIFTS wurde der Abbau von CH2 am Beginn des Plasmas nachgewiesen, gefolgt von der Adsorption von gasphörmigen, angeregtem CO2. Dieses führte zu der Formation von Carbonaten auf der Oberfläche, wobei die Gaszusammensetzung den Reaktionsmechanismus bestimmte. Insgesamt konnten die Einflüsse der Plasmabehandlung auf die industriell relevante ZnMgAl Legierung nachvollzogen werden und, bezogen auf die adhesiven Eigenschaften der Oberfläche,optimiert werden. Diese plasmabezogenen Änderungen konnten mit fundamentalen Ergebnissen aus dem neuartigen Rückseitenaufbau verknüpft werden.
description: In this thesis, an atmospheric-pressure dielectric barrier discharge (DBD) plasma was investigated.In so doing, its industrial relevance (in-line applicable surface treatment of a ZnMgAl alloy) was combined with fundamental research regarding plasma/surface interactions using real-time monitoring of plasma-induced changes.On ZnMgAl, a combination of surface characterization techniques allowed the identification of five plasma-inducedsurface changes after the DBD plasma treatments: (i) surface conversion of carboxylates to carbonates, (ii) etching of aliphatic carbon groups, (iii) migration of metals, (iv) increased oxide layer thickness, and (v) homogenization of the surface potential. These changes appeared in greater or lesser degree depending on the investigated gas mixture. To gain further insides in the plasma/surface interactions, a novel backside plasma setup was developed. It enables the monitoring of surface changes (induced by the plasma effluent penetrating a coated steel mesh) in-situ and in real-time using Raman and DRIFTS. It could be shown that the backside in-situ Raman spectroscopic analysis allowed the detailed study of plasma-effluent induced changes on zinc oxide nanorods. In another approach, the reaction of a single functional group to the palsma was monitored by coating the mesh with a self-assembled monolayer. In the resulting DRIFTS spectra, a fast decomposition of CH2 was detected, where afterward the adsorption of excited CO2 led to the formation of carbonates on the surface. Overall, the atmospheric-pressure plasma treatment of ZnMgAl could be successfully understood and optimized towards increased adsorption properties by in-situ measurements and thorough ex-situ characterization. The plasma-induced changes observed on the complex alloy surface could be linked to results gained by a novel in-situ setup investigating the fundamental ...