Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektronen-Pingpong in Plasmen

19.06.2009
Bochumer Plasmaphysik-Doktorand schreibt einen der 30 besten Beiträge des Jahres / Journal of Physics D kürt Bochumer Arbeit zum Highlight-Artikel

Die Doktorarbeit ist noch nicht fertig, da lieferte Julian Schulze schon ein Bravourstück ab: Der Beitrag des Bochumer Doktoranden der Plasmaphysik zur Elektronenheizung in technologischen Plasmen wurde vom renommierten britischen ?Journal of Physics D: Applied Physics? zum Highlight des Jahres 2008 gewählt.

Er gehört damit zu den 30 besten von ca. 1.600 Publikationen. Das Journal wird vom britischen Institute of Physics (IOP) herausgegeben, dem Pendant zur Deutschen Physikalischen Gesellschaft.

Die Auswahl basiert auf der Anzahl von Zitaten und Downloads sowie den Gutachten, die vor Publikation von unabhängigen internationalen Experten erstellt werden. Der Bochumer Beitrag ist einer von nur sechs zum Highlight gekürten Arbeiten weltweit aus der Plasmaphysik.

Plasmen für Oberflächenmodifikationen

Die von Julian Schulze, Brian Heil, Dirk Luggenhölscher, Thomas Mussenbrock, Ralf Peter Brinkmann und Uwe Czarnetzki untersuchten Plasmen, so genannte kapazitiv gekoppelte Radio-Frequenz (RF)-Plasmen, sind von großer Bedeutung für verschiedene industrielle Anwendungen. Sie werden häufig für Ätz- und Beschichtungsvorgänge von Oberflächen verwendet, z. B. bei der Herstellung von Computerchips und Solarzellen. Ähnlich wie bei einem Kondensator besteht eine solche Plasma-Entladung aus zwei Elektroden in einer Vakuumkammer, in die kontrolliert geringe Mengen Gas eingeleitet werden. An eine Elektrode wird eine Wechselspannung (Radio-Frequenz) angelegt, die andere ist geerdet. Wie bei vielen industriellen Entladungen fungiert die gesamte Kammerwand als viel größere geerdete Elektrode (Asymmetrie).

Durch die starken elektrischen Felder an der Elektrode werden positiv geladene Teilchen (Ionen) angezogen und damit senkrecht zur Elektrode hin beschleunigt. Bei niedrigen Drücken ist die Neutralteilchendichte in der Kammer so gering, dass die angezogenen Ionen geradewegs und ohne Stöße mit anderen Teilchen senkrecht auf die Elektrode treffen. Diesen hochenergetischen, gerichteten Ionenbeschuss macht man sich in der Industrie zu Nutze, indem man die zu bearbeitende Oberfläche auf die Elektrode legt, wo sie dann durch die Ionen bearbeitet wird.

Theorien versagen bei niedrigen Drücken

Trotz ihrer enormen technologischen Bedeutung sind die Mechanismen, die bei niedrigem Druck zur Plasmaerzeugung führen, bisher nicht im Detail verstanden. Bei hohem Druck und entsprechend hoher Neutralteilchendichte wird den Elektronen hauptsächlich durch so genannte stoßbestimmte ?Ohmsche Heizung? Energie zugeführt. Dabei werden Elektronen im oszillierenden elektrischen Feld im Plasma parallel zum Feld hin und her beschleunigt. Ohne Stöße mit Neutralteilchen (niedriger Druck) ist so kein Netto-Energiegewinn möglich, da die während einer Halbperiode gewonnene Energie während der anderen Halbperiode wieder verloren geht.

Bei hohem Druck führen Stöße mit Neutralteilchen, bei denen die Gesamtenergie erhalten bleibt, dazu, dass Elektronen senkrecht zum Feld gestreut werden. Ihre Energie steckt dann nicht mehr in einer Bewegung parallel zum Feld, sondern senkrecht dazu. Dies führt zu einem Netto-Energiegewinn, da Elektronen in der Richtung senkrecht zum Feld nicht mehr durch das oszillierende Feld abgebremst werden können. Diese Theorie der stoßbestimmten ?Ohmschen Heizung? versagt jedoch im industriell relevanten Niederdruckbereich, da es bei geringer Teilchendichte zu wenige Stöße gibt.

Randschicht stößt Elektronen weg

Die RUB-Physiker konnten nun erstmals experimentell zeigen, wie bei niedrigem Druck die Randschicht vor der Elektrode für die Plasmaentstehung verantwortlich ist: In dieser Schicht befinden sich im Gegensatz zum Plasma selbst nahezu keine Elektronen, sondern nur positiv geladene Ionen. Die Schicht expandiert und kollabiert im Rhythmus der angelegten Wechselspannung (13.56 MHz) unaufhörlich, wobei ein Zyklus etwa 74 Nanosekunden dauert. Bei der Expansion stößt die Randschicht ? wie ein Schläger beim Tennis den Ball ? Elektronen von der Elektrode weg. Diese gerichteten hochenergetischen Elektronen ionisieren das neutrale Gas und erzeugen somit das Plasma. Die hochenergetischen Elektronenstrahlen fliegen ballistisch ins Plasma. Bei extrem niedrigem Druck und entsprechend langer freier Wegstrecke treffen diese ?beams? auf einen Quartzzylinder (5 cm von der Elektrode entfernt). Dort wird der Strahl reflektiert. Trifft der reflektierte Strahl auf die Randschicht vor der Elektrode, wird er erneut reflektiert (Elektronen-Pingpong).

Theorien zur stochastischen Heizung bestätigt

Für den Nachweis maßen die Physiker die elektrischen Felder in der Randschicht mit Hilfe eines Lasersystems und berechneten sie durch ein Modell. Mittels phasenaufgelöster optischer Emissionsspektroskopie wurden hochenergetische Elektronen orts- und zeitaufgelöst detektiert. Parallel wurden der Strom zur Kammerwand und die Spannung über der Entladung gemessen. Mit einer Sonde wurde die Elektronenenergieverteilungsfunktion (EEDF) bestimmt. Durch Strommessungen konnten von RUB-Forschern entwickelte Theorien der nichtlinearen Elektronen-Resonanz-Heizung verifiziert werden. Insbesondere wurde mit Hilfe eines analytischen Modells gezeigt, dass die beobachteten Elektronenstrahlen zu dem gemessenen erhöhten Anteil energetischer Elektronen in der EEDF führen. Somit stellen diese Ergebnisse einen entscheidenden Beitrag auf dem Gebiet der stochastischen Heizung dar.

Titelaufnahme

Julian Schulze, B. G. Heil, D. Luggenhölscher, T. Mussenbrock, R. P. Brinkmann and U. Czarnetzki: Electron beams in asymmetric capacitively coupled radio frequency discharges at low pressures. In: Journal of Physics D: Applied Physics, 41 No 4 (21 February 2008) 042003 (5pp), bis 31.12.2009 frei verfügbar unter: http://www.iop.org/EJ/journal/-page=extra.highlights08/0022-3727

Weitere Informationen

Julian Schulze, Lehrstuhl Experimentalphysik V, insbesondere Plasma- und Atomphysik, der Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-26034, E-Mail: fjschulze@hotmail.com

Redaktion: Meike Drießen

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/
http://www.iop.org/EJ/journal/-page=extra.highlights08/0022-3727

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie