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Bei moderaten sinusförmigen Betriebsspannungen tritt in reinem Stickstoff der diffuse Townsend-Modus (APTD) auf. Das elektrische Feld ist hier über den Entladungsspalt annähernd konstant, weshalb ein anodengerichteter exponentieller Anstieg der Intensität der Emission beobachtet wird. Dementsprechend ist das Intensitätsmaximum direkt vor der Anode lokalisiert. Überraschenderweise lässt sich die APTD unter den gegebenen experimentellen Bedingungen (Breite des Entladungsspalts d_Spalt=1 mm und sinusförmige Betriebsspannung) ebenfalls in einer Helium-BE genieren. Für gewöhnlich wird jedoch in einer Helium-Entladung der diffuse Glimmentladungs-Modus (APGD) beobachtet, wobei der Entladungsspalt zwischen 2-5 mm breit ist. Das Emissionsmaximum einer solchen Entladung befindet sich durch die Ausbildung eines Kathodenfallgebiets vor der Kathode. Die geringe Breite des Entladungsspalts verhindert hier jedoch die Ausbildung der APGD. Entsprechend kann sich das Kathodenfallgebiet nicht entwickeln, wodurch die Spaltspannung nur schwach einbricht. Das Intensitätsmaximum der Emissionsentwicklung befindet sich wie bei der diffusen Stickstoff-BE direkt vor der Anode. Die Zünd- und Brennspannung ist in Stickstoff größer als in Helium, da die Vibrationszustände des Stickstoffs effizient durch Elektronen angeregt werden und diesen dabei Energie entzogen wird. Helium hat jedoch keine Vibrationszustände, weshalb die Elektronentemperatur ansteigt und die Zünd- und Brennspannung deutlich geringer ist. Eine Erhöhung des Spannungsanstiegs dU/dt beeinflusst signifikant die Entladungsentwicklung in der diffusen Helium-Entladung. So führt eine Variation von der Sinus- zur Rechteckspannung zu einem Wechsel des Entladungsmodus, nämlich von der APTD zur APGD. Die Ursache hierfür ist der deutlich höhere Energieeintrag, was sich auf die Ionisationsprozesse auswirkt. Die Verwendung einer Sägezahnspannung stellt in Bezug auf den Spannungsanstieg dU/dt eine Kombination aus der Sinus- und der Rechteckspannung dar. Mit dieser Betriebsspannung war es erstmals möglich, in einer Entladungsperiode entsprechend der Spannungsgradienten beide Entladungsformen (APTD und APGD) zu beobachten und zu studieren. Durch die Oberflächenladungsmessung konnte nachgewiesen werden, dass die während eines elektrischen Durchbruchs im Entladungsvolumen transferierte Ladung vollständig auf den Dielektrika akkumuliert wird. Der Vergleich der phasenaufgelösten Oberflächenladungsdichtemessung mit der zeitlichen Integration der Stromdichte zeigt, dass die Akkumulation von Oberflächenladungen instantan mit dem Auftreten eines Strompulses stattfindet. Nach einem Entladungsstrompuls bleiben die Oberflächenladungen unabhängig vom Entladungsmodus auf dem Dielektrikum konstant, bis die Entladung in der nächsten Halbwelle erneut zündet. In der filamentierten Entladung markieren die Oberflächenladungen den Auftreffpunkt der einzelnen Mikroentladungen. Die Oberflächenladungen sind an diesen Stellen stark lokalisiert. Die gemittelten radialen Oberflächenladungsdichteprofile haben gezeigt, dass diese sowohl für die negativen als auch für die positiven Oberflächenladungen einer Gauß-Verteilung folgen. Die volle Halbwertebreite der entsprechenden Oberflächenladungsdichteprofile unterscheidet sich. Die negativen Oberflächenladungen nehmen eine größere Fläche ein als die positiven Oberflächenladungen. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass Mikroentladungen über viele Entladungsperioden immer wieder an der gleichen Stelle zünden, wo sich aus einer vorhergehenden Entladung ein lokalisierter Oberflächenladungsfleck entgegengesetzter Polarität befand. Dieses Phänomen wird als Memory-Effekt bezeichnet. Durch zeitlich definiertes Abschalten der Entladung konnten die Lebensdauern von Oberflächenladungen beider Polaritäten auf dem BSO-Kristall gemessen werden. Es konnte gezeigt werden, dass der Abbau der Oberflächenladungen in zwei Zerfallsprozesse k_1 und k_2 unterteilt ist. Während des Prozesses k_1 nimmt die Oberflächenladungsdichte innerhalb einiger weniger Sekunden deutlich ab. Die Zeitkonstante k_1 ist trotz der photoleitenden Eigenschaft des BSO-Kristalls unabhängig von der Beleuchtungsfrequenz des Kristalls ist. Der zweite deutlich langsamer ablaufende Prozess zeigte hingegen eine starke Abhängigkeit von der Beleuchtungsfrequenz der BSO-Kristalls. Wurde der Kristall kontinuierlich beleuchtet, verschwanden die Oberflächenladungen unabhängig von ihrer Polarität nach wenigen Sekunden vollständig. Je kleiner die Beleuchtungsrate des Kristalls ist, desto länger waren die Oberflächenladungen nachweisbar. Der Zerfallsprozess k_2 beruht auf intrinsischen Transportprozessen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die negativen Oberflächenladungen durch Elektronen nahe der Oberfläche gebildet werden. Die positiven Oberflächenladungen sind Löcher im Valenzband, die durch Elektronen-Ionen-Rekombination entstehen.

In Rahmen dieser Arbeit wurde die Plasmapolymerisation von aminogruppenhaltigen und perfluorierten Kohlenwasserstoffen mit einem Atmosphärendruck Mikroplasma Jet untersucht, mit dem Ziel einer erstmaligen erfolgreichen Abscheidung von Teflon-artigen und aminogruppenhaltigen Schichten. Hierzu wurde ein Versuchsaufbau zur Schichtabscheidung mit einem Mikroplasma-Jet bei Atmosphärendruckbedingungen konzipiert und aufgebaut. Dieser besteht im Wesentlichen aus dem Plasma-Jet und der ihn umgebenden Glaskuppel, welche die Erzeugung definierter Umgebungsatmosphären bei Normaldruck gestattet sowie vor eventuell entstehenden toxischen Reaktionsprodukten schützt. Als erste Aufgabe wurde die Deposition mit den aminogruppenhaltigen Präkursoren Cyclopropylamin (CPA) und Ethylendiamin (EDA) bearbeitet. Es zeigte sich, dass die Abscheidung im selbstorganisierten Jet-Modus möglich war. Die abgeschiedenen Schichten besitzen trotz eines kuppelförmigen Abscheidungsprofils eine homogene chemische Struktur mit einem Stickstoffgehalt von bis zu 20%, wie durch Profilometrie beziehungsweise XPS ermittelt wurde. Es wurden Werte von [NH2]/[C] zwischen 5,5 % und 3 % (EDA) sowie 4 % und 1 % (CPA) erreicht, abhängig von der Behandlungszeit der Substrate und der verwendeten Umgebungsatmosphäre. Die Schutzgasatmosphäre, bestehend aus einem Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff, welche dazu gedacht war die Bildung primärer Aminogruppen zu unterstützen, hatte einen negativen Effekt auf die Abscheidung. Im Vergleich zu einem Prozess an Luft wurde die Depositionsrate halbiert. Weiterhin konnte ein positiver Effekt auf den Anteil der Aminogruppen nur bei CPA festgestellt werden. Bezüglich der chemischen Zusammensetzung der Schichten wird ein erstes Modell der Plasmapolymerisationsreaktionen vorgestellt, welches auf dem wiederholten Vorgang der Abspaltung einer Aminogruppe und der nachfolgenden Reaktion der so entstandenen Radikale basiert. Bei der Bearbeitung der zweiten Aufgabe, der Deposition von fluorierten Plasmapolymer-Schichten, wurde ein spezielles Entladungsregime des Jets entdeckt. Die hierbei identifizierten Konditionen ermöglichten erstmalig die Abscheidung von C:F-Schichten mit einem Atmosphärendruck Jet. Hierbei wurden mit Octafluorcyclobutan (c-C4F8) als Präkursor, mit hohen Wachstumsraten (bis zu 43 nm/s mit N2-Atmosphäre) Schichten erzeugt. In diesen wurde mitttels XPS eine homogene chemische Struktur mit einem [F]/[C]-Verhältnis von 1,4 und einem sehr geringen Gehalt an Stickstoff und Sauerstoff nachgewiesen. Fits des hoch aufgelöst gemessenen C 1s Peaks zeigen einen Vernetzungsgrad von 44 % und ein [CF2]/[CF3]-Verhältnis von rund 1,8. Der statische Wasserkontaktwinkel bei diesen Schichten lag im Bereich von 100° – 135°. Die geforderte Hydrophobie der Schichten wurde damit erreicht. Luft als Umgebungsatmosphäre während des Beschichtungsprozesses führt nicht zu einem überwiegend ätzenden Plasmaprozess, reduziert jedoch die Depositionsrate um Faktor vier. Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Schicht im Vergleich zur Schutzgasatmosphäre wurden nicht festgestellt. Die Verwendung von Octafluorpropan (C3F8) als Präkursor ergab nur ein minimales Schichtwachstum unter Schutzgas- und kein Wachstum unter Luft-Atmosphäre. Basierend auf den Beobachtungen anderer Autoren, wurde dies durch für die Plasmapolymerisation ungünstigere Fragmentierung des Präkursors erklärt. Das spezielle Entladungsregime, die eingeschnürte und lokalisierte bogenähnliche Entladung, wird als die Ausprägung einer --Modus Atmosphärendruck Entladung erklärt, bei der das Substrat als zweite geerdete Elektrode fungiert. Hierzu ist eine ausreichende Leitfähigkeit des Substrats notwendig. Anhand eines vereinfachten Ersatzschaltbildes werden die beobachteten Abhängigkeiten von Substratmaterial und Entladungsregime modelliert