TRR 24: Grundlagen komplexer Plasmen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Plasmaphysiker in Greifswald und Kiel haben eine gemeinsame Forschungsstrategie zu neuen wissenschaftlichen Fragestellungen auf dem Gebiet der Niedertemperaturplasmaphysik entwickelt. Einbezogen waren führende Forschungsgruppen an der Emst-Moritz-Amdt-Universität Greifswald und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel in Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP) in Greifswald und dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), Institutsteil Greifswald, die ihre Expertise in Kinetik und Dynamik von Plasmen, reaktiven Plasmen und Plasmatheorie einbrachten. Selbstverständlich sind physikalische Plasmen von sich aus ’’komplex” mit einer Vielzahl von physikalischen und chemischen Prozessen in einem großen räumlichen und zeitlichen Skalenbereich. Die im TRR-24 betrachteten Plasmen waren offene thermodynamische Systeme und befanden sich in der Regel im Nichtgleichgewichtszustand. Die Forschungsaktivitäten im TRR-24 fokussierten sich deshalb auf Niedertemperaturplasmen, die als ”komplex” bezeichnet werden und dabei einerseits mikroskopische und elektrisch geladene feste Teilchen enthalten und dabei ein stark gekoppeltes Untersystem bilden, oder andererseits negative Ionen sowie reaktive Atome und Moleküle enthalten und mit Oberflächen wechselwirken. Die wesentlichen Forschungsaktivitäten in diesen Systemen führten zur Definition von zwei Forschungsbereichen im TRR-24, A: Dynamik und Ordnungsphänomene und B: Reaktivität und Oberflächenprozesse. Die Forschungsaktivitäten haben systematischen Untersuchungen zu folgenden grundlegenden Aspekten geführt: (1) Kräfte, Einschluss, Ordnungsphanomene und kollektive Prozesse in staubigen Plasmen einschließlich dreidimensionale (3D) Teilchenanordnungen unter Plasmaeinschluss, Wellen, Selbstorganisation und Plasmastabilität sowie Ordnung und dynamisches Verhalten in Anwesenheit von Wake-Feldern, Abschirmung und Magnetfeldern. (2) Chemische und physikalische Prozesse von Ionen, Atomen und Molekülen in Plasmen und der Wechselwirkung des Plasmas mit Mikroteilchen und Festkörperoberflächen unter Einbeziehung der Plasmagrenzschichtdynamik, des Aufbaus von Oberflächenladungen an inneren und außeren Oberflächen, der Sekundarteilchenemission sowie des Einflusses von negativen Ionen und metastabil angeregten Atomen/Molekülen auf den Betriebsmodus der Entladung. (3) Bildung und Eigenschaften von Nanoteilchen in Plasmen mit dem Schwerpunkt auf reaktive Prozesse in molekularen Plasmen und an Oberflächen, die zur Synthese von Nanoteilchen, Oberflächenmodifizierung und Abscheidung von funktionalen dünnen Schichten und Nanokompositen führen. In den Forschungsaktivitäten der TRR-24 Projekte wurden Kooperationen zwischen Experiment, Simulation und Theorie einbezogen. Zur Diagnostik wesentlicher Plasmaspezies wie atomare/molekulare Radikale, negative Ionen, Metastabile sowie Nano-/Mikroteilchen wurden innovative Messmethoden verwendet unter Einbeziehung von Massenspektrometrie, Gaußstrahl-Mikrowelleninterferometrie, Laserspektroskopie, LaserPhotodetachment, Ellipsometrie, sowie für die Oberflächenanalyse die Spektroskopie mit eveneszenten Wellen, Röntgenbeugung, und Atomkraftmikroskopie. Makroskopisch wurden Phänomene zur Plasmakristallisation und Musterbildung sowie zu Phasenübergängen durch neue Diagnostiken ermöglicht wie Videomikroskopie, stereoskopische Bildgebung und digitale Holographie zur Teilchenbewegung. Dopplerfreie Spektroskopie wurde zur Sichtbarmachung der Ionenbewegung angewendet. Die Komplexität der Plasmaprozesse auf unterschiedlichen Skalen erforderte den Einsatz und die Entwicklung analytischer Methoden und computergestützter Verfahren, z.B. Entladungsmodellierung mit Fluid- und PIC Verfahren zur Beschreibung der Reaktionskinetik in Plasmen und der Elektronenenergieverteilungsfunktion, zur Stabilitätsanalyse, und zur ab-initio Modellierung stark gekoppelter Systeme mittels Molekulardynamik (MD) und Monte-Carlo (MC) Verfahren sowie Multiskalensimulation. Während der Laufzeit des TRR-24 haben 60 Doktoranden erfolgreich die Promotion abgeschlossen. Die wissenschaftlichen Ergebnisse des TRR-24 wurden in 585 Artikeln in Zeitschriften mit Begutachtungssystem veröffentlicht einschließlich dem Sonderheft ”Grundlagen komplexer Plasmen” in European Physics Journal D 72(2018)5 mit Forschungsergebnissen aus der letzten TRR-24 Förderperiode. Darüber hinaus wurden Ergebnisse des TRR-24 auf bedeutenden nationalen und internationalen Konferenzen zur Plasmaphysik präsentiert, darunter befinden sich 28 eingeladene Plenarvorträge.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- ”Crystallization in Two-Component Coulomb Systems” Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 235006
M. Bonitz, V.S. Filinov, V.E. Fortov. P.R. Levashov, and H. Fehske
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.95.235006) - ”Time resolved study of NO destruction in a pulsed DC discharge using quantum cascade laser absorption spectroscopy”, Plasma Sources Sci. Technol. 16 (2007) 822
S. Welzel, L. Gatilova, J. Röpcke, A. Rousseau
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0963-0252/16/4/018) - ”Classical and quantum Coulomb crystals”, Physics of Plasmas 15 (2008) 055704
M. Bonitz, P. Ludwig, H. Baumgartner, C. Henning, A. Filinov, D. Block, O. Arp, A. Piel, S. K ¨ ading, Y. Ivanov, A. Melzer, H. Fehske, and V. Filinov
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.2839297) - ”Local deposition of SiOx plasma polymer films by a miniaturized atmospheric pressure plasma jet”, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 194010
J. Schäfer, R. Foest, A. Quade, A. Ohl and K.-D.Weltmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0022-3727/41/19/194010) - ”Low Temperature Plasmas: Fundamentals, Technologies and Techniques”, 2nd edition, vol. 1 and 2, Wiley-VCH, 2008
R. Hippler, H. Kersten, M. Schmidt, K.H. Schoenbach (Eds.)
- ”Computation of charge and ion drag force on multiple static spherical dust grains immersed in rf discharges”, Phys. Plasmas 17 (2010) 103712
V. R. Ikkurthi, K. Matyash, A. Melzer, und R. Schneider
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.3499356) - ”Introduction to Complex Plasmas”, Springer Series ”Atomic, Optical and Plasma Physics”, Springer 2010
M. Bonitz, N. Horing, and P. Ludwig (Eds.)
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-642-10592-0) - ”On plasma parameters of a selforganized plasma jet at atmospheric pressure”, Eur. Phys. J. D 60 (2010) 531-538
J. Schäfer, F. Sigeneger, R. Foest, D. Loffhagen, and K.-D. Weltmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1140/epjd/e2010-00222-5) - ”Diffusion in a Strongly Coupled Magnetized Plasma”, Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 135003
T. Ott and M. Bonitz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.107.135003) - ”Ionization by Drift and Ambipolar Electric Fields in Electronegative Capacitive Radio Frequency Plasmas”, Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 275001
J. Schulze, A. Derzsi, K. Dittmann, T. Hemke, J. Meichsner, and Z. Donko
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.107.275001) - ”Melting Scenarios for three-dimensional dusty plasma clusters”, Phys. Rev. E 84 (2011) 056402
A. Schella, T. Miksch, A. Melzer, J. Schablinski, D. Block, A. Piel, H. Thomsen, P. Ludwig, and M. Bonitz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physreve.84.056402) - ”Microparticles in a collisional rf plasma sheath under hypergravity conditions as probes for the electric field strength and the particle charge”, Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 115002
J. Beckers, T. Ockenga, M. Wolter, W.W. Stoffels, J. van Dijk, H. Kersten, and G. Kroesen
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.106.115002) - ”On the heating of nano- and micro-particles in process plasmas”, J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011) 174029
H. Maurer, and H. Kersten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/17/174029) - Topical Issue ”Progress in Complex Plasmas”, Contrib. Plasma Phys. 52 (2012) 789-898
M. Bonitz and J. Meichsner (guest eds.)
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ctpp.201200076) - ”Electron surface layer at the interface of a plasma and a dielectric wall”, Phys. Rev. B 85 (2012) 075323
R. L. Heinisch, F. X. Bronold, H. Fehske
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.075323) - ”Imaging Mie ellipsometry: dynamics of nanodust clouds in an argon-acetylene plasma”, Plasma Sources Sci. Technol. 21 (2012) 065005
F. Greiner, J. Carstensen, N. Koehler, I. Pilch, H. Ketelsen, S. Knist, and A. Piel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0963-0252/21/6/065005) - ”Ion-Wake-Mediated Particle Interaction in a Magnetized-Plasma Flow”, Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 135001
J. Carstensen, F. Greiner, and A. Piel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.109.135001) - ”Magnetizing a Complex Plasma without a Magnetic Field”, Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 155003
H. Kählert, J. Carstensen, M. Bonitz, H. Löwen, F. Greiner, and A. Piel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.109.155003) - ”Huge increase in gas phase nanoparticle generation by pulsed direct current sputtering in reactive gas admixture”, Applied Physics Letters 103 (2013) 033118
O. Polonsky, T. Peter, V. Zaporojtchenko, H. Biedermann, and F. Faupel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4816036) - ”Nonthermal Plasma Chemistry and Physics”, CRC Press 2013
J. Meichsner, M. Schmidt, R. Schneider, H.-E. Wagner (Eds.)
(Siehe online unter https://doi.org/10.1201/b12956) - ”Novel insights into the development of barrier discharges by advanced volume and surface diagnostics”, J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) 464015
R. Brandenburg, M. Bogaczyk, H. Hoeft, R. Tschiersch, M. Kettlitz, L. Stollenwerk, T. Hoder, R. Wild, K.- D.Weltmann, J. Meichsner, H.-E.Wagner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/46/464015) - ”Optical signatures of the charge of a dielectric particle in a plasma”, Phys. Rev. E 88 (2013) 023109
R. L. Heinisch, F. X. Bronold, H. Fehske
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevE.88.023109) - ”Complex Plasmas: Scientific Challenges and Technological Opportunities”, Springer Series ”Atomic, Optical and Plasma Physics”, Springer 2014
M. Bonitz, K. Becker, J. Lopez and H. Thomsen (Eds.)
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-05437-7) - ”Dust particles under the influence of crossed electric and magnetic fields in the sheath of an rf discharge”, Phys. Plasmas 21 (2014) 123704
M. Puttscher and A. Melzer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4904039) - ”Phase-resolved measurement of the spatial surface charge distribution in a laterally patterned barrier discharge”, New J. Phys. 16 (2014) 113040
R. Wild and L. Stollenwerk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/11/113040) - ”Characterization of an radio frequency hollow electrode discharge at low gas pressures”, Phys. Plasmas 22 (2015) 083513
A. M. Ahadi, T. Trottenberg, S. Rehders, T. Strunskus, H. Kersten, and F. Faupel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4929788) - ”Ion potential in warm dense matter: Wake effects due to streaming degenerate electrons”, Phys. Rev. E 91 (2015) 023102
Z. Moldabekov, P. Ludwig, and M. Bonitz, and T. Ramazanov
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physreve.91.023102) - ”Quantum cascade laser based monitoring of CF2 radical concentration as a diagnostic tool of dielectric etching plasma processes”, Appl. Phys. Lett. 106 (2015) 031102
M. Hübner, N. Lang, S. Zimmermann, S. E. Schulz, W. Buchholtz, J. Röpcke, and J. H. van Helden
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4906306) - ”Versatile particle collection concept for correlation of particle growth and discharge parameters in dusty plasmas”, J. Phys. D: Appl. Phys. 48 (2015) 055203
A.M. Hinz, E. von Wahl, F. Faupel, T. Strunskus, and H. Kersten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/5/055203) - ”Ab initio Quantum Monte Carlo simulation of the warm dense electron gas in the thermodynamic limit”, Phys. Rev. Lett. 117 (2016) 156403
T. Dornheim, S. Groth, T. Sjostrom, F. D. Malone, W.M.C. Foulkes, and M. Bonitz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.117.156403) - ”Fluid modelling of CO2 dissociation in a dielectric barrier discharge”, J. Appl. Phys. 119 (2016) 093301
S. Ponduri, M. M. Becker, D. Loffhagen, S. Welzel, M. C. M. van de Sanden, and R. Engeln
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4941530) - ”Dielectric barrier discharges: progress on plasma sources and on the understanding of regimes and single filaments”, Plasma Sources Sci. Technol. 26 (2017) 053001
R. Brandenburg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6595/aa6426) - ”Generation of two-dimensional binary mixtures in complex plasmas”, Physics of Plasmas 24 (2017) 033707
F. Wieben, J. Schablinski, and D. Block
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4977989) - ”Modeling of a Non-Thermal RF Plasma Jet at Atmospheric Pressure”, Plasma Process Polym. 14 (2017) 1600112
F. Sigeneger, J. Schäfer, K.-D. Weltmann, R. Foest, and D. Loffhagen
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ppap.201600112) - ”On the E-H transition in inductively coupled radio frequency oxygen plasmas: I. Density and temperature of electrons, ground state and singlet metastable molecular oxygen”, Plasma Sources Sci. Technol. 26 (2017) 025006
Th. Wegner, C Küllig, J. Meichsner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6595/26/2/025006) - ”Optical diagnostics of dusty plasmas during nanoparticle growth”, Plasma Phys. Control. Fusion 59 (2017) 014034
M. Mikikian, S. Labidi, E. von Wahl, J.F. Lagrange, T. Lecas, V. Massereau-Guibaud, I. Geraud-Grenier, E. Kovacevic, J. Berndt, H. Kersten, T. Gibert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0741-3335/59/1/014034) - ”Plasma Physics - An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas”, Springer 2010, 2017
A. Piel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-642-10491-6 https://doi.org/10.1007/978-3-319-63427-2) - ”Single target sputter deposition of alloy nanoparticles with adjustable composition via a gas aggregation cluster source”, Nanotechnology 28 (2017) 175703
A. Vahl, J. Strobel, W. Reichstein, O. Polonskyi, T. Strunskus, L. Kienle, and F. Faupel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa66ef) - ”Surface charge measurements on different dielectrics in diffuse and filamentary barrier discharges”, J. Phys. D: Appl. Phys. 50 (2017) 105207
R. Tschiersch, S. Nemschokmichal, M. Bogaczyk and J. Meichsner
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S. Nemschokmichal, R. Tschiersch and J. Meichsner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6595/aa8e1b)
