Niederdruckplasma

Ein Niederdruckplasma ist ein Plasma, in dem der Druck erheblich niedriger als der Erdatmosphärendruck ist. Niederdruckplasmen zählen zu den nichtthermischen Plasmen.

Typische technische Niederdruckplasmen werden im Druckbereich weniger Pascal betrieben, also bei Drücken, die um einen Faktor 10.000 geringer sind als der normale Luftdruck. Typisch für Niederdruckplasmen ist eine mittlere freie Weglänge der Elektronen, die größer als die Debye-Länge ist.

Natürliches Vorkommen

Niederdruckplasmen kommen im Weltall in leuchtenden Gasnebeln vor. Polarlichter können als Niederdruckplasmen bezeichnet werden.

Technische Anwendungen

Niederdruckplasmen sind unverzichtbare Mittel bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente (zum Beispiel durch Plasmaätzen oder Sputtern).

Ferner werden Niederdruckplasmen zu einer Vielzahl von Beschichtungsaufgaben eingesetzt. Beispiele sind:

• Optik: Brillen, Objektive
• Automobiltechnik: Scheinwerfer, Spiegel
• Werkzeuge: Gehärtete Oberflächen
• Getränketechnologie: Innenbeschichtung von PET-Flaschen mit Siliziumdioxid oder Titanpentoxid.
• Medizin: Sterilisation medizinischer Instrumente, insbesondere wärme- und feuchtigkeitssensible Geräte wie zum Beispiel Endoskope
• Elektrotechnik: amorphe Silizium-Solarzellen, Dünnschichttransistor-Bildschirme

Eine weitere Anwendung von Niederdruckplasmen ist die Veredelung von Oberflächen. Setzt man beispielsweise Zirkoniumdioxid (ein keramisches Material) einem Methan-Plasma aus, so werden bis zur Tiefe von einigen Mikrometern die Sauerstoffatome durch Kohlenstoff ersetzt. Das entstandene Zirkoniumkarbid ist silbrig glänzend und ebenso kratzfest wie das weiße Zirkoniumdioxid.

Charakteristische Eigenschaften

Bei Niederdruckplasmen ist infolge des niedrigen Drucks die typische mittlere freie Weglänge so groß, dass Stossprozesse "selten" sind. Entsprechend sind die unterschiedlichen Teilchensorten (Schwerteilchen, Elektronen) nicht im thermischen Gleichgewicht, d. h. besitzen unterschiedliche Temperaturen.

Bei technischen Niederdruckplasmen werden über selektive Heizung der Elektronen Elektronentemperaturen von einigen Elektronenvolt (mehreren 10.000 K) erreicht, während die Temperatur des Neutralgases wenig über Zimmertemperatur liegt. Dadurch können auch thermisch sensible Materialien wie Kunststoffe mittels Niederdruckplasmen bearbeitet werden.

Wesentlichen Anteil an den technologisch verwertbaren Eigenschaften haben die Plasma-Randschichten, also der Übergangsbereich vom Plasma zur Wand oder zum Werkstoff.

Siehe auch

• Glimmentladung

Literatur

• Gerhard Franz: Oberflächentechnologie mit Niederdruckplasmen. Beschichten und Strukturieren in der Mikrotechnik. 2., völlig neubearb. Aufl. Springer, Berlin u.a. 1994, ISBN 3-540-57360-7.
• Michael A. Lieberman und Allan J. Lichtenberg: Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. Wiley, New York u.a. 1994, ISBN 0-471-00577-0.
• Alfred Grill: Cold Plasma in Materials Fabrication. From Fundamentals to Applications. IEEE Press, New York 1994, ISBN 0-7803-4714-5.

Weblinks

• Vorlesungsmanuskript über Gasentladungsphysik Aufgerufen am 31. März 2009 (PDF-Datei; 346 kB)