Gelüftet: das Geheimnis der Plasmaheizung

Bochumer Forscher entdecken den Mechanismus der Energieeinkopplung in Niedertemperaturplasmen: die Elektronen schaukeln sich selbst auf.

Das Geheimnis der Elektronenheizung in Niedertemperaturplasmen haben Bochumer Forscher vom Center of Excellence "Plasma Science and Technology" (CPST) der Ruhr-Universität gelüftet - und damit eine Antwort gefunden auf die Jahrzehnte alte Frage, warum gerade die Elektronen in diesen Plasmen so heiß sind. Durch das nichtlineare Verhalten der Randschicht schaukelt sich der im Plasma fließende elektrische Strom selbst auf. Direkt damit verbunden ist eine Erhöhung der elektrischen Leistung und somit auch der Heizung des Plasmas. Über diesen bisher unbekannten Mechanismus, "nichtlineare Elektronen-Resonanz-Heizung" genannt, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters".

Grundlegendes Verständnis nach 30 Jahren
Mit ihren Forschungsergebnissen leisten die Bochumer Elektroingenieure Thomas Mussenbrock und Ralf Peter Brinkmann (Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik der Ruhr-Universität Bochum, RUB) zusammen mit Kollegen von der Universtity of California at Berkeley um Mike Lieberman einen Beitrag, die seit über 30 Jahren industriell eingesetzten, so genannten kapazitiven Niedertemperaturplasmen grundlegend zu verstehen. "Seit den 70er Jahren gab es eine lebhafte fachliche Debatte über die Funktionsweise der Plasmen, die jedoch zu keinem abschließendem Ergebnis geführt hat. Insbesondere der exakte Mechanismus der Energieeinkopplung ist nicht vollständig verstanden", sagt Thomas Mussenbrock. "Seitdem man Plasmen entdeckt hat und nutzt, gibt es deutliche Unterschiede zwischen theoretischen Vorhersagen vom Verhalten des Plasmas und tatsächlichen Messungen." Der an der Ruhr-Universität entdeckte Mechanismus liefert einen neuen Ansatz, um die Heizmechanismen in Niedertemperaturplasmen erstmals vollständig zu erklären.

Abb.: Kapazitiv gekoppeltes Hochfrequenz-Plasma im Experiment. (Quelle: RUB)

Vielfältige Plasmen
Ohne Plasma kein Pentium: Mithilfe der elektrisch angeregten Gase lassen sich zum Beispiel Strukturen auf Mikrochips prägen, indem man Materialien im Nanometerbereich abträgt oder aufdampft. Plasmabasierte Verfahren machen heute bereits rund die Hälfte aller Prozessschritte in der Mikroelektronik aus. Nicht nur hier sind die Plasmen unentbehrlich, sondern auch in der Licht-, Umwelt- und Medizintechnik. Eine der besonderen Eigenschaften der eingesetzten Niedertemperaturplasmen sind die enthaltenen Elektronen mit Temperaturen von mehreren 10.000 Grad Celsius - im Gegensatz zu den auch vorhandenen Ionen sowie neutralen Atomen und Molekülen, die mit nahezu Zimmertemperatur vergleichsweise kalt sind (etwa im Unterschied zur Sonne als Hochtemperaturplasma). Erst dieses thermische Ungleichgewicht ermöglicht chemische Reaktionen und andere Prozesse, was Niedertemperaturplasmen so vielfältig nutzbar macht.

Der Schlüssel zur gezielten Nutzung
Die Frage, warum die Elektronen insbesondere bei sehr niedrigen Gasdrücken so heiß werden können, war bisher nicht vollständig geklärt. Theoretisch und experimentell konnten die Forscher am CPST nun die "nichtlineare Elektronen-Resonanz-Heizung" nachweisen. Basis des Mechanismus ist eine dem Plasma eigene Schwingungsneigung. Indem man eine bestimmte Schwingung anregt - ausgehend vom nichtlinearen Verhalten der so genannten Plasmarandschicht - kommt es zu einer "Aufschaukelung" des im Plasma fließenden elektrischen Stromes. Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Elektronen-Resonanz-Heizung die Effizienz der Energieeinkopplung mehr als verdoppeln kann. Laborversuche am CPST von Uwe Czarnetzki (Fakultät für Physik und Astronomie) und Peter Awakowicz (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik) bestätigten dieses Ergebnis. Die RUB-Forscher liefern zugleich einen neuen Ansatzpunkt zu verstehen, wie man Plasmen elektrisch anregen muss, um sie möglichst effizient zu erzeugen. "Die Elektronen-Resonanz lässt sich sogar gezielt ansteuern, um den Mechanismus in Gang zu setzen", so Thomas Mussenbrock.

Quelle: RUB