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TRR 24:  Grundlagen komplexer Plasmen

Fachliche Zuordnung Physik
Förderung Förderung von 2005 bis 2017
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5486308
 
Erstellungsjahr 2018

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)

 
 

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