Prof. Dr. Achim von Keudell

Experimentalphysik, insbesondere Physik reaktiver Plasmen

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Ruhr-Universität Bochum
44780 Bochum
NB 5/125

Forschung

Schwerpunkt der Forschungstätigkeit ist das grundlegende Verständnis der Plasma-Oberflächenwechselwirkung. Dazu werden zahlreiche Experimente in reaktiven Plasmen durchgeführt  zur Identifizierung der vorherrschenden Reaktivteilchenflüsse sowie der daraus resultierenden Oberflächenprozesse. Als Diagnostiken kommen vielfach optische in-situ Diagnostiken sowie die Massenspektroskopie zum Einsatz. In der Vergangenheit wurde insbesondere ein Teilchenstrahlexperiment entwickelt, das es erlaubt heterogene Oberflächenreaktionen zu studieren und zu vermessen. Die Plasma-Oberflächenwechselwirkung wird zur Zeit im Bereich der Plasma-Medizin, der Herstellung von maßgeschneiderten Oberflächen mittels Mikroplasmen sowie der Synthese von Oxiden und Nitriden in magnetisierten gepulsten Plasmen untersucht.

Derzeitige Forschungsaktivitäten

Die Gruppe „Reaktive Plasmen“ beschäftigt sich im allgemeinen Sinn mit allen Prozessen an der Grenzfläche reaktives Plasma-Oberfläche. Dabei haben sich 5 größere Themata herausgebildet:

Elementarmechanismen Mit einem Teilchenstrahlexperiment werden Einzel-Prozesse der Wechselwirkung von Atomen, Ionen und UV-Photonen mit Oberflächen untersucht. Zum einen waren dies biologische Proben wie Endosporen oder Biomoleküle zur Aufklärung von Grundlagenmechanismen bei der Plasmasterilisation aber auch metallische Proben, um Elementarprozesse der Targetvergiftung in Magnetronentladungen zu studieren.

Nanopartikelerzeugung: Die Bildung von Kohlenstoff- bzw. Siliziumnanopartikeln in induktiv gekoppelten Plasmen wird untersucht. Ziel ist es, leuchtende Siliziumpartikel mit einstellbarer Größenverteilung in einem reaktiven hochdichten Plasma zu erzeugen. Dabei wurden Probleme der Stabilität bzw. Instabilität der staubigen Plasmen unter dem Einfluss schwacher Magnetfelder behandelt. In einem weiteren Schritt wurde detailliert die Chemie dieser Entladungen mittels Massenspektrometrie untersucht mit besonderem Augenmerk auf einer Quantifizierung aller Teilchendichten.

Mikroplasmen: Seit 2 Jahren wird das Thema der atmosphärischen Mikroplasmen intensiv bearbeitet und Plasmastrahlquellen werden hinsichtlich ihrer Eignung für beschichtende Anwendungen optimiert. Dabei wurden neue Konzepte zur Massenspektrometrie an Atmosphärendruck bzw. zur Analyse der Ionenströme entwickelt. Damit ist es gelungen, SiO2 Beschichtungen zu realisieren, die nach ungewöhnlichen Reaktionspfaden ablaufen. In weiteren Teilprojekten wird derzeit die Eignung der Mikroplasmen für das Aufpropfen von Biomarkern für Biochips untersucht.

Plasmasterilisation: Als Koordinator eines EU Projektes zur Plasmasterilisation wurden zum einen Teilchenstrahlexperimente aber auch umfangreiche Plasmaexperimente durchgeführt, um eine optimale Methode zur Inaktivierung von Bakterien, pathogenen Biomolekülen bis hin zu Prionen zu entwickeln.

Gepulste Magnetronplasmen: Die Herstellung von dünnen oxidischen und nitridischen Schichten in gepulsten Magnetronentladungen wird als Grundlagenforschung für die Anwendung HPPMS untersucht (High Power Pulsed Magnetron Sputtering). Besonderes Augenmerk liegt auf der Einstellung der Ionenenergieverteilung durch variables Biasing an den Substraten. Dazu wurden spezielle Ionenenergieanalysatoren aufgebaut. Das Schichtwachstum wird in-situ mit Infrarotspektroskopie und Ellipsometrie verfolgt.

Zukünftige Forschungsaktivitäten

Die zukünftigen Forschungsthemen sind Teilchenstrahlexperimente zur Untersuchung von Elementarprozessen der Plasma-Oberflächenwechselwirkung, Mikroplasmen und schwach magnetisierte Prozessplasmen.
Der Bereich Teilchenstrahlexperimente hat ein Alleinstellungsmerkmal, da es weltweit nur eine Handvoll Experimente gibt, die in dieser Tiefe einzelne reaktive Oberflächenprozesse untersuchen können. Allerdings ist die Auswahl der möglichen Reaktionspartner eingeschränkt. Derzeitige Themata wie Oxidieren und Nitrieren unter Ionenbeschuss werden vertieft.

Besonders der Bereich Mikroplasmen ist noch unerschlossen, da viele bekannte Konzepte aus der Niederdruckplasmaphysik nicht anwendbar sind. Experimentell, theoretisch und methodisch ist dieses Gebiet äußerst anspruchsvoll. Durch die kleine Größe von Mikroplasmen sind alle diagnostischen Verfahren schwierig, und eine theoretische Behandlung ist durch die enge Kopplung Plasma-Festkörper, Rekombinationsreaktionen, Strahlungstransport etc. sehr aufwändig. Bei einer Beherrschung dieser Themata, erschließen sich aber Anwendungen wie aus der Sensorik (Kopplung der Elektronensysteme Plasma-Festkörper), der lokalen Funktionalisierung (Beschichtung bei Atmosphärendruck) oder der Medizintechnik (Wechselwirkung mit lebender Materie).

Im Bereich der schwach magnetisierten Prozessplasmen sind gepulste Magnetronplasmen weltweit eine neuer Forschungszweig. Durch kurzzeitige hohe Leistungseinkopplung werden vollionisierte Plasmen erzeugt, die es erlauben in einzigartiger Weise die Schichtsynthese zu kontrollieren. Sämtliche Vorgänge im Plasma sind zeitabhängig und eine genaue Analyse der Transienten im Plasma, der Kopplung der Energie und der Schichtbildung etc. steht noch aus.

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Zur Person

Ausbildung

1986-1992 Physikstudium an der TU München
1993-1996 Doktorand am MPI für Plasmaphysik in Garching bei München
1996 Promotion an der Universität Bayreuth, Otto-Hahn-Medaille der Max-Planck-Gesellschaft

Beruflicher Werdegang

1997-1998 Visiting Assistant an der University of Illinois in Urbana-Champaign
1998-2003 permanenter Wissenschaftler am MPI für Plasmaphysik in Garching
2001 Akademiepreis der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften
2002 Habilitation an der Universität Bayreuth
seit 2003 Professor für Experimentalphysik an der Ruhr-Universität Bochum

Mitgliedschaften und Engagement

  • Mitglied der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) (seit 1997)
  • Mitglied im Fachbeirat Plasmaphysik der DPG (2003-2007)
  • Mitglied im deutschen Hochschulverband (seit 2003)
  • Mitglied im Vorstand der deutschen Gesellschaft für Plasmatechnologie (DGPT) (seit 2004)
  • Vizepräsident der InternationalPlasma Chemistry Society (seit 2009)
  • Mitglied im Gustav-Hertz Preiskomitee der DPG (seit 2008)
  • Studiendekan der Fakultät für Physik und Astronomie der RUB (seit 2008)
  • Co-Sprecher Research Department "Plasma" der RUB (seit 2009)

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