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 Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Quanten-Übertragung auf Knopfdruck
14.06.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Abwehrmechanismus gegen Sauerstoffradikale entdeckt

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umwandlung von nicht-neuronalen Zellen in Nervenzellen

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Im Fußballfieber: Rittal Cup verspricht Spannung und Spaß

18.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics