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Surface electrons at dielectric plasma walls

  • The concept of the electron surface layer introduced in this thesis provides a framework for the description of the microphysics of the surplus electrons immediately at the wall and thereby complements the modelling of the plasma sheath. In this work we have considered from a surface physics perspective the distribution and build-up of an electron adsorbate on the wall as well as the effect of the negative charge on the scattering of light by a spherical particle immersed in a plasma. In our electron surface layer model we treat the wall-bound electrons as a wall-thermalised electron distribution minimising the grand canonical potential and satisfying Poissons equation. The boundary between the electron surface layer and the plasma sheath is determined by a force balance between the attractive image potential and the repulsive sheath potential and lies in front of the crystallographic interface. Depending on the electron affinity x, that is the offset of the conduction band minimum to the potential in front of the surface, two scenarios for the wall-bound electrons are realised. For x<0 electrons do not penetrate into the solid but are trapped in the image states in front of the surface where they form a quasi two-dimensional electron gas. For x>0 electrons penetrate into the conduction band where they form an extended space charge. These different scenarios are also reflected in the electron kinetics at the wall which control the sticking coefficient and the desorption time. If x<0 electrons from the plasma cannot penetrate into the solid. They are trapped in the image states in front of the surface. The transitions between unbound and bound states are due to surface vibrations. Trapping of electrons is mediated by one-phonon transitions and takes place in the upper bound states. Owing to the large binding energy of the lowest bound state transitions from the upper bound states to the lowest bound state are due to multi-phonon processes. For low surface temperatures relaxation to the lowest bound state takes place while for higher temperature a relaxation bottleneck emerges. Desorption occurs in cascades for systems without relaxation bottleneck and as a one-way process in systems with a relaxation bottleneck. From the perspective of plasma physics the most important result is that the sticking coefficient for electrons is relatively small, typically on the order of 0.001. For x>0 electron physisorption takes place in the conduction band. For this case sticking coefficients and desorption times have not been calculated yet but in view of the more efficient scattering with bulk phonons, responsible for electron energy relaxation in this case, we expect them to be larger than for the case of x<0. Finally, we have studied the effects of surplus electrons on the scattering of light by a spherical particle. For x<0 the electrons form a spherical electron gas around the particle and their electrical conductivity modifies the boundary condition for the magnetic field. For x>0 the electrons in the bulk of the particle modify the refractive index through their bulk electrical conductivity. In both cases the conductivity is limited by scattering with surface or bulk phonons. Surplus electrons lead to an increase of absorption at low frequencies and, most notably, to a blue-shift of an extinction resonance in the infrared. This shift is proportional to the charge and is strongest for submicron-sized particles. The particle charge is also revealed in a blue-shift of the rapid variation of one of the two polarisation angles of the reflected light. From our work we conclude that the electron affinity is an important parameter of the surface which should affect the charge distribution as well as the charge-up. Therefore, we encourage experimentalists to study the charging of surfaces or dust particles as a function of x. Interesting in this respect is also if or under what conditions the electron affinity of a surface exposed to a plasma remains stable. Moreover, we suggest to use the charge signatures in Mie scattering to measure the particle charge optically. This would allow a charge measurement independent of the plasma parameters and could be applied to nano-dust where conventional methods cannot be applied.
  • Das in dieser Arbeit eingeführte Modell der Elektronenoberflächenschicht bildet einen Rahmen für die Beschreibung der Mikrophysik der Oberflächenelektronen unmittelbar an der Plasmawand und ergänzt die Modellierung der Plasmarandschicht. Im Einzelnen wurden in dieser Arbeit aus der Perspektive der Oberflächenphysik die Verteilung und der Aufbau des Elektronenadsorbats an der Wand sowie der Einfluss der negativen Ladung auf die Streuung von Licht durch ein Staubteilchen im Plasma betrachtet. In unserem Modell für die Elektronenoberflächenschicht behandeln wir die Elektronen an der Wand als eine mit der Wand thermalisierte Elektronenverteilung, die das Großkanonische Potential minimiert und der Poissongleichung genügt. Die Grenze zwischen der Elektronenoberflächenschicht und der Plasmarandschicht wird durch ein Kräftegleichgewicht zwischen den attraktiven Bildpotential und dem repulsiven Randschichtpotential bestimmt und liegt vor der kristallographischen Grenzfläche. Je nach Elektronenaffinität x, dem Versatz der Leitungsbandes zu dem Potential vor der Oberfläche, ist eines von zwei Szenarien realisiert. Für x<0 werden Elektronen in Bildzuständen vor der Oberfläche eingefangen, in denen sie ein zweidimensionales Elektronengas bilden. Für x>0 dringen die Elektronen ins Leitungsband ein, in dem sie eine ausgedehnte Raumladungszone bilden. Diese unterschiedlichen Szenarien schlagen sich auch in der Elektronenkinetik an der Wand nieder, die den Stickingkoeffizienten und die Desorptionszeit bestimmt. Für x<0 dringen Elektronen aus dem Plasma nicht in den Festkörper ein. Sie werden in den Bildzuständen vor der Oberfläche eingefangen. Die Übergänge zwischen freien und gebundenen Zuständen werden durch Oberflächenvibrationen hervorgerufen. Der Elektroneneinfang ist durch Einphononprozesse bestimmt und findet in den oberen gebunden Zuständen statt. Wegen der großen Tiefe des Potentials werden Übergänge zwischen dem untersten Zustand und den oberen Zuständen durch einen Multiphononprozess vermittelt. Für tiefe Temperaturen relaxiert ein eingefangenes Elektron auf den untersten Zustand, während sich für hohe Temperaturen ein Relaxationsflaschenhals ergibt. Desorption erfolgt in Systemen ohne Relaxationsflaschenhals in Kaskaden und in Systemen mit Relaxationsflaschenhals als Einwegprozess. Das wichtigste Ergebnis aus der Perspektive der Plasmaphysik ist der kleine Stickingkoeffizient, der typischerweise von der Größenordnung 0.001 ist. Für x>0 findet elektronische Physisorption im Leitungsband statt. In diesem Fall wurde noch kein Stickingkoeffizient ausgerechnet, aber wegen der effizienteren Streukanäle mit den Phononen des Volumens, die in diesem Fall für Energierelaxation der Elektronen verantwortlich sind, erwarten wir, dass er größer ist als für x<0. Zuletzt haben wir den Effekt von Zusatzelektronen auf die Streuung von Licht durch ein kugelförmiges Teilchen untersucht. Für x<0 bilden die Elektronen ein sphärisches Elektronengas und ihre elektrische Leitfähigkeit modifiziert die Randbedingung für das magnetische Feld. Für x>0 verändern die Elektronen im Volumen des Teilchens den Brechungsindex durch ihre elektrische Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit wird begrenzt durch Streuung mit Oberflächen- oder Volumenphononen. Zusätzliche Elektronen erhöhen die Absorption bei niedrigen Frequenzen und führen zu einer Blauverschiebung einer Extinktionsresonanz im Infraroten. Diese Verschiebung ist proportional zur Ladung und für kleine Teilchen am stärksten. Die Teilchenladung zeigt sich außerdem in der Blauverschiebung einer schnellen Variation eines von zwei Polarisationswinkeln des reflektierten Lichts. Aus unserer Arbeit schließen wir, dass die Elektronenaffinität ein wichtiger Parameter ist, der die Ladungsverteilung sowie den Ladungsaufbau beeinflusst. Wir ermutigen Experimentatoren die Aufladung von Oberflächen oder Staubteilchen als Funktion der Elektronenaffinität zu untersuchen. Von Interesse ist auch, unter welchen Bedingungen die Elektronenaffinität einer dem Plasma ausgesetzten Oberfläche stabil ist. Darüber hinaus schlagen wir vor, die Ladungssignaturen in der Miestreuung zu verwenden, um die Teilchenladung optisch zu bestimmen. Dies würde eine Messung ermöglichen, die unabhängig von den Plasmaparametern ist und könnte auf Nanostaub angewandt werden, bei dem herkömmliche Methoden nicht anwendbar sind.

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Metadaten
Author: Rafael Leslie Heinisch
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001626-9
Title Additional (German):Oberflächenelektronen an dielektrischen Plasmawänden
Advisor:Dr. Franz Xaver Bronold
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2013/11/06
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2013/10/30
Release Date:2013/11/06
Tag:plasma physics, solid-state physics, surface physics
GND Keyword:Festkörper, Oberfläche, Plasma
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.25.-p Wave optics
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.20.-j Elementary processes in plasmas
70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES / 73.00.00 Electronic structure and electrical properties of surfaces, interfaces, thin films, and low-dimensional structures (for electronic structure and electrical properties of superconducting films and low-dimensional structures, see 74.78.-w; for computational / 73.20.-r Electron states at surfaces and interfaces
70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES / 73.00.00 Electronic structure and electrical properties of surfaces, interfaces, thin films, and low-dimensional structures (for electronic structure and electrical properties of superconducting films and low-dimensional structures, see 74.78.-w; for computational / 73.40.-c Electronic transport in interface structures