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Kinetic modeling and infrared spectroscopy of charge carriers across the plasma-wall interface

  • In this thesis, charge transport at the plasma-wall interface is investigated theoretically, on a semiclassical, microscopic level. Based on the Boltzmann and Poisson equations a set of equations is derived and numerically solved to model charge carriers both within a semiconducting wall and a gaseous plasma in front of it. While the plasma is considered collision-free, within the solid, phonon collisions, as well as recombination processes between conduction band electrons and valence band holes are considered. This results, for the first time, in a self-consistent modeling of both the gaseous electron-ion plasma and the electron-hole plasma in the solid on the same footing. Utilizing specific approximations for different physical scenarios, numerical solutions are presented both for the floating and the electronically contacted (biased) interface. In the latter case, the current voltage characteristic is calculated and shown to heavily depend on the charge kinetics within the wall. Furthermore, we present optical methods to measure the wall charge noninvasively. These utilize the influence of the deposited surplus charges on the optical reflection coefficient of the surface. By calculating the optical response of these charges, we show that the magnitude of the surface charge can be inferred from the change in the reflectivity of the surface caused by the presence of the plasma. While nonlocal effects are considered, it is shown analytically and numerically that these can be neglected at the scales of the considered physical systems.
  • In dieser Arbeit wird der Ladungstransport an der Plasma-Wand-Grenzfläche auf einer semiklassischen, mikroskopischen Ebene theoretisch untersucht. Basierend auf den Boltzmann und Poisson Gleichungen wird ein Satz von Gleichungen hergeleitet und numerisch gelöst die die Ladungsträger sowohl in einer halbleitenden Wand als auch ein einem angrenzenden Gas-Plasma modellieren.Während das Plasma als stoßfrei angenommen wird, werden im Festkörper Phonon-Stöße sowie Rekombinationsprozesse zwischen Leitungsband-Elektronen und Valenzband-Löchern berücksichtigt. Dies liefert zum ersten mal eine gleichwertige selbstkonsistente Modellierung des gasförmigen Elektron-Ion-Plasmas und des Elektron-Loch-Plasmas im Festkörper. Unter Ausnutzung spezieller Näherungen für verschiedene physikalische Szenarios, werden numerische Lösungen sowohl für die elektrisch isolierte also auch die elektrisch kontaktierte Grenzfläche präsentiert. Für das kontaktierte System wird die Strom-Spannungs-Charakteristik berechnet und gezeigt, dass diese deutlich von der Kinetik der Ladungsträger im Wandmaterial abhängt. Außerdem zeigen wir optische Verfahren, um die Wandladung nicht-invasiv zu messen. Diese nutzen den Einfluss der Überschussladungen auf den optischen Reflexionskoeffizienten der Oberfläche. Durch die Berechnung der optischen Antwort der Oberfläche auf die Ladungen zeigen wir, dass die Größe der Oberflächenladung aus der Änderung der Reflektivität, die durch das Plasma hervorgerufen wird, bestimmt werden kann. Nichtlokale Effekte werden berücksichtigt, aber es wird analytisch und numerisch gezeigt, dass diese bei den Skalen der untersuchten physikalischen Systeme vernachlässigt werden können.

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Metadaten
Author: Kristopher Rasek
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-64367
Title Additional (German):Kinetische Modellierung und Infrarot-Spektroskopie von Ladungsträgern an der Plasma-Wand-Grenzfläche
Referee:PD Dr. Franz Xaver Bronold, Prof. Dr. Uwe Kortshagen
Advisor:PD Dr. Franz Xaver Bronold
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2022
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2022/07/12
Release Date:2022/09/05
Tag:Boltzmann equation; infrared spectroscopy; kinetic modelling
GND Keyword:Modellierung, Schnittstelle, Plasma, Festkörper, Spektroskopie
Page Number:103
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik