Man kennt „heiße“ Plasmen, die vollständig ionisiert sind (d.h. es gibt praktisch keine neutralen Atome mehr) und deren Elektronentemperatur einige 100 eV (=„Elektronenvolt“) und mehr beträgt, wobei 1 eV einer Temperatur von 11600 Grad entspricht. Diese heißen Plasmen existieren z.B. im Inneren der Sterne. Dort gibt es eine ständige Energieerzeugung aufgrund der Kernverschmelzungsreaktionen (Kernfusion), die die Verluste insbesondere durch Abstrahlung deckt. Diese Energiequelle sorgt dafür, dass der heiße Plasmazustand über Milliarden von Jahren aufrechterhalten wird. Auf der Erde sind solche Plasmen in gewisser Annäherung über kurze Zeiten z.B. bei den „Tokamak“- oder „Stellarator“-Experimenten realisiert. Man verwendet dort spezielle Magnetfeldgeometrien, um den Kontakt des heißen Plasmas mit den Wänden weitgehend zu verhindern. Das Ziel derartiger Experimente ist es, die Fusionsenergie in kontrollierter Weise nutzbar zu machen.

„Kalte“ Plasmen sind nur schwach ionisiert- die meisten Teilchen sind also Atome oder Moleküle. Diese Plasmen besitzen typischerweise Elektronendichten, die 5 Zehnerpotenzen unterhalb der Dichte der Neutralteilchen liegen, wobei die Elektronentemperatur nur wenige eV beträgt (dies sind immerhin einige Zehntausend Grad – der Elektronen -, s.u.). Sie werden in der Regel durch elektrische Energiezufuhr am Leben erhalten, wobei es verschiedene Möglichkeiten der Energieeinkopplungen gibt. Für viele Anwendungen (z.B. Oberflächenmodifikation, Ätzen von Mikrostrukturen z. B. in der Bauelementefertigung) werden Plasmareaktoren verwendet, die mit Hochfrequenz angeregt werden und ein Plasma zwischen planparallelen Platten erzeugen. Die Anregungsfrequenz beträgt aus technischen und gesetzlichen (Zuteilung von Frequenzen für technische Anwendungen) meist 13,6 MHz . Derartige RF-Entladungen werden typisch im Druckbereich unterhalb 100 Pa betrieben. Die Elektronendichte ist dabei relativ niedrig – typisch 10¹⁶ bis 10¹⁷ m^–3 . Andere Quellen für kalte Plasmen sind zum Beispiel Mikrowellenplasmen, die meist bei 2,45 GHz angeregt werden, oder auch ICP-Plasmaquellen („inductively coupled plasmas“). Ein Beispiel für ein sehr viel dichteres Niedertemperatur-Plasma ist der elektrische Lichtbogen oder der verwandte „Plasma-Jet“, die beide auch ein aktuelles Anwendungspotential z.B. für Beschichtungsprozesse besitzen. In diesen Fällen kann die Elektronendichte auch deutlich höher sein.

In diesen kalten Plasmen wird die Energie hauptsächlich über die Elektronen eingekoppelt, die im elektrischen Feld Energie aufnehmen. Die Wirkung auf die Ionen ist jedoch aufgrund deren größerer Masse sehr viel kleiner, und der Energieübertrag von den Elektronen ist ineffizient – die typischen kalten Plasmen sind also nicht im thermischen Gleichgewicht (Lichtbögen und Plasma-Jets ausgenommen). Die Ionen und die Neutralteilchen bleiben kalt und besitzen häufig die Umgebungstemperatur des Plasmareaktors – Zimmertemperatur. Dies erklärt, weshalb trotz hoher Elektronentemperaturen von einigen Zehntausend Grad– z.B. in einer Plasmalampe – die Wand nicht heiß wird. In manchen Fällen sind die molekularen Vibrations- und Rotationszustände einer Teilchensorte nach Boltzmann besetzt, wobei die Temperaturen (im Sinne von Verteilungsparametern) für die Vibrations- und Rotationsbesetzungen durchaus verschieden sein können. Es kommt auch vor, dass die Verteilungen überhaupt nicht durch eine „Temperatur“ beschrieben werden können, so dass dieser Begriff seinen Sinn verliert.

Der Zustand des thermischen Nichtgleichgewichts im Sinne sehr unterschiedlicher mittlerer Energien der Elektronen und der schweren Teilchen stellt für viele materialwissenschaftliche Anwendungen eine wichtige Voraussetzung dar, da der Energieübertrag auf ein Target klein bleibt, so dass man auch empfindliche Materialien einer Plasmabehandlung aussetzen kann. Im Fall der Plasmachemie ist die hohe Temperatur der Elektronen wesentlich, da diese die ablaufenden Reaktionen dominieren.

Das Innere des Plasmas ist durch „Quasineutralität“ charakterisiert: Jede momentan erzeugte Ladung im Plasma ruft ein elektrisches Feld hervor, welches in der Umgebung eine Polarisation erzeugt, sodass das Plasma auf einer verglichen mit dieser Umgebung groben räumlichen Skala elektrisch neutral erscheint. Diese elektrische Neutralität ist jedoch nicht in der Nähe von Wänden erfüllt, die wir den Bereich der Schicht nennen. Wegen der massebedingten unterschiedlichen mittleren Geschwindigkeiten der Teilchen haben die Elektronen die Tendenz, einen größeren Fluß zur Wand zu entwickeln. Um jedoch im stationären Fall das Gleichgewicht zwischen den Teilchenflüssen zur Wand wieder herzustellen, entsteht ein Raumladungsfeld vor der Wand. Dieses elektrische Feld bremst die Elektronen im Schichtbereich ab und drängt sie ins Plasma zurück, während es die Ionen zur Wand beschleunigt. Die Kontrolle des Beschusses des Substrates mit Ionen, die in der Schicht beschleunigt werden, ist deshalb entscheidend für den Charakter der Wechselwirkung des Plasmas mit diesem Target. In einem Beschichtungsprozeß kann ein zu starker Beschuß die Qualität des deponierten Materials beinträchtigen; im Gegensatz dazu ist ein starker Ionenbeschuß günstig für den Prozess des Materialabtrags.

Schichtbildung und Oberflächenmodifikation und -strukturierung durch Ionen sind nur zwei Beispiele für das technische Anwendungspotential von Niedertemperaturplasmen. Andere Anwendungen betreffen die Zerlegung toxischer Stoffe in ungefährliche Verbindungen, Lichterzeugung (Gasentladungslampen, Plasmabildschirme), Schaltertechnologie, Erzeugung von UV und Vakuum-UV Strahlung, Konditionierung von Materialien (Härten, Reinigen, Haftverbesserung, Wasserabstoßung, u.v.a.m.), Erzeugung neuer (z.B. superharter) Materialien, Erzeugung von Ionenstrahlen mit bestimmten Eigenschaften (z.B. auch negative Ionen), Erzeugung von bestimmten chemischen Verbindungen in Plasmareaktoren (Stichwort „Plasmachemie“).

Plasmadiagnostik:

Unsere Arbeitsgruppe befaßt sich schwerpunktmäßig mit der Erforschung und Anwendung von Verfahren zur Diagnose und Analyse von Plasmen und deren Kenngrößen – dieses Arbeitsgebiet wird auch als „Plasmadiagnostik“ bezeichnet.