Plasma in Natur und Technik

Den Ausdruck "Plasma" verwendete erstmals der Physiker und Nobelpreisträger Irving Langmuir (1881 - 1957) im Jahre 1928 für einen zuvor unbekannten Zustand der Materie. Man betrachtet Plasma als 4. Aggregatszustand

fest
Fest:
Die Atome oder Moleküle
der Substanz sind an
ihrer Position gebunden.
flüssig
Flüssig:
Die Atome oder Moleküle
sind beweglich und können
ihre Positon innerhalb der
Substanz verändern
gasförmig
gasförmige:
Die Atome oder Moleküle
sind so beweglich, dass sie
die Substanz verlassen
können.
Plasma
Plasma:
Die Elektronen im Atom
sind so beweglich, dass
sie die elektrischen
Anziehungskräfte über-
winden und den Atom-
verbund verlassen

Der Ausdruck "Plasma" stammt aus dem Griechischen und bedeutet "Gebilde".

In einem Plasma werden den Molekülen und Atomen eines Gases durch starke Anregung Elektronen entrissen, so dass positive Ionen und freie Elektronen entstehen.

 

 

Plasma in der Natur

Plasma erscheint uns exotisch, obwohl der größte Teil der Materie aus Plasma besteht. Alle aktiven Sterne, also Sterne, in denen Kernfusion stattfindet, bestehen aus Plasma.

Auf der Erde erleben wir natürliches Plasma nur :

  • In Polarlichtern
  • In Blitzen

Technisches Plasma

Obwohl Plasma in der Natur so exotisch ist, lässt es sich technisch recht einfach erzeugen. Die in der Natur so wichtige thermische Anregung durch extrem hohe Temperaturen spielt dabei nur eine geringe Rolle (in sehr heißen Flammen). Technisches Plasma wird angeregt durch:

  • Hochspannungsanregung
  • Hochfrequenzanregung

 

Plasmaerzeugung durch Hochspannungsanregung

Entscheidend ist die hohe Feldstärke. Man erreicht diese auch bei moderater Spannung am besten im Bereich von als scharfe Spitzen ausgeführten Elektroden.

Durch die hohe Feldstärke werden Atome und Moleküle stark deformiert, derart, dass sich der positive und der negative Ladungsschwerpunkt (Atomkerne und Elektronenhülle) verschieben, so dass zunehmend starke elektrische Dipole entstehen. Wenn diese Deformation so weit geht, dass der Elektronenhülle erste Elektronen (Valenzelektronen) entrissen werden, so startet die Ionisierung.

Die Plasmaerzeugung durch Hochspannungsanregung ist bei Atmosphärendruck und bei Niederdruck möglich. Anwendungsbeispiele sind:

  • Künstliche und natürliche Blitze
  • Bogenlampe
  • Gasentladungsröhren / Leuchtstofflampen
  • Coronaentladung
  • Atmosphärisches Plasma

Durch freie Elektronen und freie Ionen ist das Plasma elektrisch Leitfähig. Unter Hochspannung kommt es zu hohen elektrischen Strömen und durch den ohmschen Widerstand zu sehr hohen Temperaturen.
Stromfluß und hohe Temperaturen können allerdings durch einen zwischengeschalteten Isolator (Dielektrikum) auch verhindert werden.

Plasmaerzeugung durch Hochfrequenzanregung

Auch in hochfrequenten Wechselfeldern können Gasteilchen derart zu (oszillierenden) Dipolen angeregt werden, dass dem Atomverbund Elektronen entrissen werden. Dafür sind keine extrem hohen Feldstärken erforderlich. Die Anregung funktioniert zwischen Plattenelektroden und ohne Hochspannung. Allerdings nur bei Niederdruck von maximal einigen Pascal.

Die freien Elektronen oszillieren in der Frequenz des Hochfrequenzfeldes. Die viel schwereren und trägeren Ionen folgen der Wechselfrequenz des Hochfrequenzfeldes bei einer Anrregung deutlich oberhalb von 10 kHz nicht, sondern bleiben weitgehend in Ruhe. Deshalb wird die Temperatur in einem Hochfrequenz-Niederdruckplasma kaum erhöht.

  • Die Plasmaerzeugung durch Hochfrequenzanregung ist in technischen Anlagen zur Plasma-Obeflächenbehandlung von großer Bedeutung
Niederdruckplasmaanlage
Komplettaufbau einer Niederdruck-Plasmaanlage. Erläuterungen zu den Komponenten siehe Plasmatechnik

Aktive Spezies

In Sternen ist nahezu die gesamte Materie ionisiert.

In einem technischen Plasma nur ein geringer Bruchteil (selten mehr als 1%). Das technische Plasma enthält aber außer Ionen und freien Elektronen weitere Bestandteile, die Plasmaeffekte bewirken: 

  • angeregte Atome:
    Nicht immer reicht die Anregung aus, um dem Atom ein Elektron völlig zu entreißen. Es wird aber auf ein höheres Energieniveau angehoben. Das Elektron sitzt damit alleine auf einer ansonsten unbesetzten Elektronenschale. Atome geben solche Elektronen in chemischen Reaktionen sehr leicht ab.
  • UV-Strahlung:
    Parallel zur Ionisierung fangen auch immer wieder Ionen freie Elektronen ein und werden wieder zu neutralen Atomen. Den Vorgang nennt man Rekombination. Bei diesem Vorgang wird ein hoher Energiebetrag frei, der in Form energiereicher UV-Strahlung abgegeben wird. Diese UV-Strahlung ist ionisierend und hat eine erhebliche Wirkung auf ihre Umgebung.
  • Radikale:
    Die wichtigste Wirkung hochfrequenter UV-Strahlung besteht darin, dass sie in der Lage ist, Molekülbindungen aufzubrechen. Die resultierenden Molekülfragmente, die auch Atome sein können, nennt man Radikale. Diese Radikale haben an der Bruchstelle nun eine ungesättigte Bindung, an der sich sehr leicht wieder Atome, Moleküle oder Radikale anlagern können. Radikale sind daher sehr reaktiv.

Diese reaktiven Plasmabestandteile: 

  • Ionen
  • angeregte Atome
  • Radikale
  • UV-Strahlung

sind die Aktiven Spezies eines Plasmas.

Parallel zur Bildung angeregter Atome findet auch der umgekehrte Vorgang statt, die Rückkehr in den Grundzustand, den man Relaxation nennt. Auch bei der Relaxation wird Energie frei, aber nicht so viel wie bei der Rekombination. Deshalb ist die Energie und Frequenz der abgegebenen Strahlung niedriger und liegt im sichtbaren Bereich. Dieser Vorgang verursacht die leuchtende Farbe des Plasmas, die für jedes Prozessgas spezifisch ist.

In Folge von Relaxation und Rekombination liegen in einem technischen Plasma auch viele Teilchen als Atome und Moleküle im Grundzustand vor.

Aktive Spezies
Über die Vakuumpumpe wird der Niederdruck erzeugt (typisch 0,1 - 1 mbar). Dosiert strömt das Prozessgas zu.
Aktive Spezies
Konstanter Prozessgasdruck. Absaugen bei gleichzeitiger Prozessgaszufuhr wird fortgesetzt. Es ist noch kein Plasma gezündet.
Aktive Spezies
Nach der Hochfrequenz-Plasmaanregung. Ohne Substrat in der Plasmakammer, d.h. es gibt keine Reaktionsprodukte des Plasmaprozesses