Kinetik elektrischer Doppelschichten an dielektrischen Plasma-Festkörper Grenzflächen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Franz Xaver Bronold
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407495057

Eine Festkörperoberfläche in Kontakt mit einem ionisierten Gas sammelt Elektronen effizienter auf, als sie Elektronen durch Neutralisation von Ionen und Abregung von Radikalen verliert. Die Oberfläche lädt sich deshalb negativ auf, was zu einer Verarmung von Elektronen vor der Oberfläche führt. Die grundlegendste Art der Wechselwirkung eines Plasmas mit einem Festkörper führt somit zu einer elektrischen Doppelschicht. Im Gegensatz zum positiven Teil der Doppelschicht, der Plasmarandschicht, die ausführlich untersucht wurde, fand der negative Teil, der je nach elektronischer Struktur des Festkörpers innerhalb oder auf der Oberfläche lokalisiert ist, wenig Aufmerksamkeit. Wenig ist auch über den Plasmaverlust selbst bekannt, der an dielektrischen Oberflächen über die Rekombination von Elektron-Loch Paaren laufen muß . Um das gesamte Potential hybrider Elektronik zu nutzen, einem aufstrebenden Zweig der Plasmaphysik, der Elemente der Gas- und Halbleiterelektronik kombiniert, ist es allerdings nötig, die Verlustprozesse quantitativ zu verstehen und somit auch das Verhalten der plasmainduzierten Ladungsträger im Festkörper. Die Plasmaproduktion im Gas mit dem Plasmaverlust am oder im Festkörper mikroskopisch zu verknüpfen, und dadurch die Kinetik der elektrischen Doppelschicht zu beschreiben, ist das Ziel des Projekts. Wir entwickeln speziell eine kinetische Theorie für elektrisch nicht kontaktierte, dielektrische Grenzflächen. Sie basiert auf zwei Sätzen von Boltzmann Gleichungen, einen für Elektronen und Ionen im Plasma und einen für Elektronen und Löcher im Dielektrikum, der Poisson Gleichung für die elektrische potentielle Energie sowie Anschluss- bzw. Randbedingungen an der Grenzfläche bzw. weit von ihr entfernt. Die unterschiedlichen Zeitskalen für Steu- und Rekombinationsprozesse ausnutzend, leiten wir einen Satz von Gleichungen her, der erstmals den Ladungstransport über die Grenzfläche selbstkonsistent mit der Ladungsdynamik auf beiden Seiten verbindet. Eine iterative Lösung dieser Gleichungen, wobei das Grinberg-Luryi Verfahren zur Bestimmung von Verteilungsfunktionen in Halbräumen eine zentrale Rolle spielt, erlaubt uns dann festkörperbasierte Wege zur Kontrolle der plasmainduzierten Raumladungszone sowie der Rekombination selbst (strahlend vs. nichtstrahlend) zu finden und dadurch neue Möglichkeiten der hybriden Elektronik aufzuzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Holger Fehske