Neue Erkenntnisse über die Energieeinkopplung in Plasmen
Forscher der Ruhr-Universität Bochum in Deutschland und der University of California, Berkeley, in den USA haben einen Mechanismus für die Energieeinkoppelung in Niedertemperaturplasmen entdeckt und damit einen großen Beitrag zum Verständnis der Funktionsweise dieser vielseitigen, künstlichen Plasmen geleistet. Bei Plasma handelt es sich um ionisiertes Gas mit einem großen Anteil freibeweglicher Elektronen und Ionen. Dieses Gas ist elektrisch neutral und sein Aggregatzustand unterscheidet sich von denen der Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe. Es leitet den elektrischen Strom und kann durch elektromagnetische Felder gelenkt werden, wodurch es sich optimal für den Einsatz in zahlreichen innovativen Technologien eignet. Niedertemperaturplasmen (oder auch technologische Plasmen) ermöglichen eine Vielzahl von beachtlichen Leistungen auf dem Gebiet der Mikroelektronik, Lichttechnik und im Ingenieurwesen. Diese Vielseitigkeit wird größtenteils ihrem "thermischen Ungleichgewicht" zugeschrieben, wobei der Temperaturunterschied zwischen ihren sehr heißen Elektronen (mit mehr als 10.000°C) und den vergleichsweise kalten Ionen und neutralen Atomen zur Aktivierung von Reaktionen genutzt werden kann, wie z.B. zum Prägen von Strukturen auf Mikrochips. Der spezifische Mechanismus der Energieeinkopplung (d.h. wie die in einer Reaktion erzeugte Energie in eine andere übertragen wird), der dieses thermische Ungleichgewicht erst ermöglicht, wurde bis jetzt in Fachkreisen lebhaft debattiert. Dieser Prozess, bei dem sich die Elektronen, insbesondere bei sehr niedrigen Gasdrücken, so stark erhitzen, war zwar grundlegend bekannt, jedoch bestand ein deutlicher Unterschied zwischen theoretischen Vorhersagen des Plasmaverhaltens und tatsächlichen Messungen. Dr. Thomas Mussenbrock und seine Kollegen definierten in einer in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Studie den Heizmechanismus der Elektronen in Niedertemperaturplasmen sowohl theoretisch als auch experimentell. Sie zeigten, wie diese Plasmen schwingen und wie diese Eigenschaft den Heizprozess der Elektronen steuert. Plasmen sind nicht gleichmäßig und ihre Eigenschaften variieren an den Rändern bis zu einem gewissen Grad. Die dem Plasma eigene Schwingungsneigung ist nicht genau gleichmäßig verteilt und kann in der sogenannten "Randschicht" leicht unterschiedlich ausfallen. Indem man eine bestimmte Schwingung anregt - ausgehend vom nichtlinearen Verhalten der Plasmarandschicht - kommt es zu einer "Aufschaukelung" des im Plasma fließenden elektrischen Stroms. Dieser Prozess, die sogenannte "nichtlineare Elektronen-Resonanz-Heizung", kann die Effizienz der Energieeinkopplung mehr als verdoppeln. Die neuen Erkenntnisse über die nichtlineare Elektronen-Resonanz-Heizung von Dr. Mussenbrock und seinen Kollegen liefern neue Ansätze zum Verständnis der Eigenschaften von Niedertemperaturplasma. Ihre Forschungsergebnisse haben weitreichende Auswirkungen für die Forschungen auf den Gebieten Energie, Fertigung, Oberflächenreinigung und Abfallbeseitigung, um nur einige zu nennen.
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Deutschland, Vereinigte Staaten