GDOES-Theorie
Was ist GDOES?
Die Glimmentladungsspektroskopie (englisch: Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy, GDOES) ist ein spektroskopisches Verfahren zur quantitativen und qualitativen Analyse von metallischen sowie nichtmetallischen Feststoffen.
Mit der GDOES lassen sich Proben sowohl auf ihre elementare Zusammensetzung als auch auf ihre Schichtdicke und den Schichtaufbau untersuchen. Auch Konzentrationsgradienten und Massenbelegungen können damit gemessen werden. Sehr dünne Schichten (< 50 nm) können genauso gut erfasst werden wie dicke Schichten von mehreren hundert Mikrometern. Als Materialien kommen Metalle, Halbleiter, Glas, Keramik und Polymere infrage.
Kurze Geschichte der GDOES
Im Jahr 1968 hat Werner Grimm eine Glimmentladungsröhre als Lichtquelle für spektroskopische Analysen eingeführt, um die chemische Zusammensetzung metallischer Werkstoffe zu bestimmen. Die sogenannte Grimm‘sche Entladungsröhre zeichnet sich durch eine besondere Anordnung der Elektroden aus: Die beiden Elektroden für die Gleichstromquelle sind die zylinderförmige Hohl-Anode und die Probe, die analysiert werden soll. Die Probe schließt dabei die Entladungskammer zusammen mit einem die Anode umgebenden Dichtring ab. Seither wurden diese Technik und ihre Anwendungen stetig weiterentwickelt. Heutzutage zählt die GDOES zu den präzisesten Methoden der Elementanalyse und der Schichtdickenbestimmung.
Vereinfachtes Funktionsprinzip der GDOES
Elektrisch leitende Materialien: Die Probe wird in die Glimmentladungsquelle eingesetzt, wo sie direkten Kontakt zur Kathode hat, sie wird also selbst als Kathode geschaltet.
Während der Analyse befindet sich in der Glimmentladungsquelle Argongas unter niedrigem Druck (0,5 hPa bis 10 hPa). Zwischen der Anode und der Probe (≙ Kathode) wird eine hohe Gleichspannung angelegt. Dadurch werden Elektronen an der Probenoberfläche freigesetzt und in Richtung der Anode beschleunigt. Die Elektronen gewinnen dabei kinetische Energie, die sie durch inelastische Stöße mit Argon-Atomen wieder abgeben. Als Folge der Stöße werden Argon-Atome ionisiert, es entstehen Argonkationen und weitere freie Elektronen. Die Dichte der Ladungsträger nimmt durch diesen Lawineneffekt zu, das isolierende Argongas wird leitend und es entsteht ein Plasma (eine Mischung aus neutralen Gasatomen und freien Ladungsträgern).
Die Argonkationen werden zur Probenoberfläche hin beschleunigt, da dort ein hohes negatives Potential herrscht. Beim Auftreffen auf die Probenoberfläche übertragen die Argonkationen ihre kinetische Energie auf die dort sitzenden Atome und so werden diese aus der Probe herausgeschlagen. Dieser Prozess wird als Kathodenzerstäubung oder Sputtern bezeichnet. Der Abbau der Probenoberfläche erfolgt dabei planparallel.
Die herausgeschlagenen Probenatome diffundieren ins Plasma und werden dort durch Zusammenstöße mit energiereichen Elektronen in einen energetisch angeregten Zustand versetzt. Beim Zurückfallen in den Grundzustand emittieren die Atome Licht, das für jedes Element ein charakteristisches Wellenlängenspektrum aufweist.
Das emittierte Licht gelangt über den Eintrittsspalt auf ein holographisches Gitter und wird von dort aus je nach Beugungswinkel der Wellenlängen auf die verschiedenen Detektoren geleitet und registriert. Die Intensität der einzelnen Linien ist proportional zur Konzentration des entsprechenden Elements im Plasma
Elektrisch nicht leitende Materialien: Bei Verwendung einer hochfrequenten Wechselspannung zur Plasmaerzeugung können auch nichtmetallische Proben untersucht werden.