 |
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
 |
Details of project |
|
|
| Identifier |
115805 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Hartmann, Péter |
| Title in Hungarian |
Komplex plazmák akcióban |
| Title in English |
Complex plasmas in action |
| Keywords in Hungarian |
komplex plazma, erősen csatolt plazma, poros plazma, plazma alapú leválasztás |
| Keywords in English |
complex plasma, strongly coupled plasma, dusty plasma, plasma assisted deposition |
| Discipline |
| Physics (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Plasma physics |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics) |
| Participants |
Borossáné Tóth, Sára
Derzsi, Aranka
Donkó, Zoltán
Himics, László
Korolov, Ihor
Kutasi, Kinga
Veres, Miklós
|
| Starting date |
2015-12-01 |
| Closing date |
2019-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
25.686 |
| FTE (full time equivalent) |
8.46 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Kutatásainkat a komplex (poros) plazma tudomány három tematikus pillére köré csoportosítjuk. Ezek az erős csatolás, a plazma-por kölcsönhatás, és a nano-részecske szintézis. Az erősen csatolt rendszerek kísérleti és numerikus vizsgálatával kollektív makroszkopikus jelenségek (pl. transzport folyamatok nagy mágneses térben, olvadás két-dimenzióban, plasztikus alakváltozás és relaxáció) mikroszkopikus leírását kívánjuk megadni, azonosítva a domináns részecske szintű folyamatokat. Ezen eredmények az anyagtudományban találhatnak további alkalmazásra. A gázkisülési plazmák és a porszemcsék kölcsönhatását pontosabban megértve kívánunk megvalósítani új, porszemcse alapú, nagy érzékenységű plazmadiagnosztikai eljárásokat, ill. kontrollált porszemcse transzportot. A mikrohullámú plazmaleválasztás egy működő laboratóriumi eljárás nano-részecskék és vékonyrétegek előállítására, bár a kisülési plazmában lejátszódó folyamatok nincsenek kellőképpen feltárva. Tervezzük egy hibrid kisülés szimuláció megvalósítását, és kísérleti validálását, amely képes ötvözni a kontinuum leírást részecske alapú, nem-egyensúlyi szimulációval. Ennek segítségével feltárjuk az összefüggést a gáztérbeli eloszlások és a növesztett por, ill. rétegek minősége között.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Kutatásaink, részben párhuzamosan, több irányba ágaznak el. Közös bennük, hogy az elektromos gázkisülések olyan modern alkalmazásaihoz kapcsolódnak, ahol a szokásos atomi komponenseken túl mikro,- vagy nano-szemcsék is központi szerepet játszanak. Minden esetben a megfigyelhető folyamatok mikroszkopikus, részecske szintű leírását célozzuk. Közös módszertani hipotézisünk, hogy az általunk felvetett kutatási területeken a jelenleg alkalmazott numerikus módszerek, részecskeszintű nem-egyensúlyi leírás hiányában pontatlanok, vagy csak fenomenologikusak. Valljuk továbbá, hogy minden szimulációs eljárást kísérletekkel, de legalább független módszerekkel, hitelesíteni kell. Az általunk megválaszolni kívánt kérdések a következők: Milyen hatással van a nagy mágneses térnek az erősen csatolt poros plazma rendszerek öndiffúziójára és viszkozitására? Milyen alapállapoti struktúrákat vesz fel szuperparamágneses szemcsékkel keltett poros plazma kettősréteg? Milyen a sűrűség és áramfluktuációk diszperziója ezen anizortóp rendszerben? Milyen a két-dimenziós Yukawa, Coulomb és dipólus rendszerek olvadási fázisátalakulásának termodinamikai rendje? Milyen mikroszkopikus mozgások valósulnak meg plasztikus deformáció és relaxáció során poros plazmában? Lehet-e egyes porszemcsék egyensúlyi pozíciója körüli oszcillációjának mérésével következtetni a gázkisülés minőségére? Hogyan függ a por egyensúlyi pozíciója a kisülés elektromos karakterisztikájától? Milyen az aktív részecskék térbeli és energiaeloszlása mikrohullámú leválasztó rendszerben? Mi a kapcsolat a gáztérbeli eloszlások és a növesztett szemcsék, vagy felületek minősége között?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Alapkutatásainkkal három irányba kívánunk új perspektívákat nyitni. Az erősen csatolt rendszerek tanulmányozása során feltárt alapvető összefüggések és folyamatok részletei elsősorban az anyagtudományban találhatnak további alkalmazásra. Olyan alapvető jelenségek mikroszkopikus részleteit tárjuk fel, amely részletek a hagyományos atomos és molekuláris anyagokban, az atomokra jellemző parányi idő és távolság skálák miatt rejtve maradtak. A poros plazmák egyik lényeges előnye éppen az, hogy minőségileg hasonló tulajdonságokkal bírnak, mint a hagyományos anyagok, de a karakterisztikus idő és távolság skáláik egyszerű eszközökkel könnyen hozzáférhetők. Eredményink pl. egy sok évtizedes vita lezárásához járulhatnak hozzá, amennyiben igazoljuk vagy cáfoljuk a két-dimenziós olvadás KTHNY elméletének jóslatait. A mágneses tér transzport folyamatokra gyakorolt hatását akár új anyagok előállításánál lehetne kihasználni. A diszlokációelmélet gyakorlati alkalmazhatóságát javítaná, ha sikerül összefüggést találnunk az alkotó részecskék párkölcsönhatásának minősége és az effektív, a kristályrács által közvetített diszlokációk között kölcsönhatás minősége között. Kisülésben lebegő porfelhő kontrollált transportjára több esetben is szükség lehet: ha a por nem kívánt melléktermék, és annak eltávolítása a cél, vagy ha pont ellenkezőleg, a port célzottan kívánjuk egy felületre juttatni. Minden esetben fontos a plazma-por kölcsönhatás pontos ismerete a kisülés elektromos karakterisztikája függvényében. Mára már ismert a mikrohullámú plazmával megvalósított vékonyréteg leválasztás és nano-részecske szintézis lehetősége, és alkalmazzák is különböző laboratóriumokban. Aktuális modellek egyensúlyi folyamatokat képesek kontinuum leírásban kezelni, az elektronok transzportja azonban gyakran nem-egyensúlyi a hosszú ütközési szabad úthossz miatt. Hibrid modellünkkel ötvözni kívánjuk a kontinuum leírás hatékonyságát a részecske alapú szimulációk pontosságával. Számításainkat kísérletekkel összehasonlítva lehetőség nyílik alapfolyamatok szintű optimalizálásra, amely az aktuálisan legjobb minőségű szemcsék növesztését vagy vékonyrétegek leválasztást célozza.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Napjainkban egyre több ipari technológia és termék alapul valamilyen gázkisülési plazmára, amelyek alkotóelemei a szabad elektronok, ionok, és semleges atomok. Ilyenek pl. különböző fényforrások, kijelzők, mikroelektronika gyártás egyes lépései, stb. A kisülések egy különleges családját alkotják a komplex plazmák, amelyek a szokásos atomi komponensek mellett nano,- vagy mikrométer méretű szilárd szemcséket (port) is tartalmaznak. Ezen szemcséket vagy kívülről visszük be a rendszerbe, vagy pedig a kisülésben maguktól növekednek, az alkalmazott gáz összetételétől függően. A porszemcsék jelentős elektromos töltésre tesznek szert, erősen taszítják egymást és kristályrácsba rendeződhetnek. Az így keltett plazmakristályok különösen alkalmasak a hagyományos szilárd anyagokban megfigyelhető tömbi folyamatok mikroszkopikus részleteinek feltárására, hiszen minőségileg hasonlóan viselkednek, de mindezt könnyen megfigyelhető idő,- és méret skálán teszik. Jelen pályázatban erős mágneses tér hatását kívánjuk feltárni, valamint a két-dimenziós rendszerek olvadásának és plasztikus alakváltozásának rácshibák mozgásán alapuló elméletét kívánjuk tesztelni poros plazma kísérletek és numerikus szimulációk segítségével. Tervezzük továbbá irányítottan mozgatni a port a kisülési plazmában annak elektromos táplálását hangolva. Ez későbbi alkalmazásnál lesz fontos, ahol a port valamely felületre kell célzottan eljuttatni. Nano-szemcsék növesztésére használt kísérleti berendezés forró plazmájának numerikus szimulációja segítségével kívánjuk meghatározni azokat az alapvető körülményeket, amelyek növesztett szemcsék, vagy vékonyrétegek tulajdonságainak kialakításához döntően hozzájárulnak.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Our complex (dusty) plasma research activities can be assigned to three thematic groups. These are the strong coupling phenomena, plasma-dust interaction, and nano-particle synthesis. The experimental and numerical investigations in the field of strongly coupled systems target the microscopic description of classical macroscopic processes, like transport processes in a large magnetic field, melting transition in two dimensions, plastic deformations and relaxation of solids. The understanding of the fundamental processes on the particle level behind these phenomena may find application in material science. We plan experiments and numerical simulations on the fundamental plasma-dust interaction level targeting the development of new dust based discharge diagnostic methods and controlled transport of dust in gas discharges. Microwave plasma assisted chemical vapor deposition processes are commonly used to produce high quality synthetic diamond nano-particles and films, although the interplay between chemistry and transport phenomena that governs the discharge remains poorly understood. We plan to develop and experimentally validate a hybrid discharge simulation, which combines the effective continuum simulation with more accurate particle simulations of non-equilibrium processes. Applying this simulation to experimental situations we plan to establish relations between the quality of the synthesized nano-particles, films and the parameters of the gas discharge.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Our studies will be conducted, partly in parallel, in a few directions. These are connected to modern applications of gas discharges, where in addition to the usual atomic constituents nano, - or micrometer sized solid particles (dust) play an important role. In all cases we target the microscopic, particle level description of the observed phenomena. Common methodological hypothesis is that, in the areas under investigation, the state-of-the-art numerical simulation can be significantly improved by including non-equilibrium particle based numerical techniques. Further, in our opinion, all numerical simulations have to be verified with experiments or at least with independent techniques. Our research targets the following questions: What is the impact of strong magnetic fields on the self-diffusion and viscosity of strongly coupled dusty plasmas? What are the ground state structures of super-paramagnetic dusty plasma bilayers? What are the dispersions of density and current fluctuations in these anisotropic systems? What are the thermodynamic orders of the melting transitions of 2D Yukawa, Coulomb, and dipole systems? What kind of microscopic motion is responsible for the plastic deformation and relaxation in dusty plasma crystals? Is it possible to extract gas discharge plasma parameters from the frequency spectrum of dust particle oscillations? What is the dependence of the dust equilibrium position on the electrical characteristics of the gas discharge? What are the distributions of active species in a microwave deposition system? What is the relation between the gas phase properties and the quality of the deposited particles and films?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
We wish to open new perspectives in three different branches of complex plasma science. The fundamental relations and the details of different processes in strongly coupled systems can primarily find application in material sciences. We will reveal the microscopic details of phenomena that are not accessible at particle level in ordinary atomic matter due to the extreme temporal and spatial resolution needed. One of the main advantages of dusty plasma crystals is, that these behave qualitatively similar to ordinary matter just at time and distance scales that are observable with simple techniques. Our results will help to close a decades-long discussion by supporting or disproving the KTHNY theory of two-dimensional melting. The results on the effect of strong magnetic fields on the transport properties may find application in the design of new materials. The applicability of dislocation calculations could be improved if we can find relation between the inter-atomic pair interaction and the crystal lattice mediated effective dislocation force field. The controlled transport of dust particles levitating in gas discharges is important in two cases: if we target the removal of unwanted dust from the plasma reactor, or in case we want to deposit the dust on a substrate. In both cases the detailed understanding of the dependence of the plasma-dust interaction on the discharge characteristics is crucial. Microwave plasma assisted chemical vapor deposition processes are commonly used to produce high quality synthetic nano-particles and films. State-of-the-art numerical models treat plasma constituent as continuum components. Electrons however show strong non-equilibrium transport due to their long collision mean free paths. With our hybrid simulations we will be able to combine the numerical efficiency of fluid models with the accuracy of particle simulations. The combination of our simulations with experimental studies will make a new level of optimization of the deposition of nano-particles and films possible.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
An increasingly broad spectrum of industrial technologies and modern every-day devices are based on plasmas, which consists of free electrons ions and neutral atoms. Examples are different light sources, display panels, several processing steps during microelectronic fabrication, etc. Complex plasmas are formed when micrometer and nanometer sized solid particles (also called as “dust”) are added to, or grown in, an ionizing plasma environment. The particles gain enormously high electric charges, interact with each other, and can form even crystalline solid structures. These plasma crystals can be applied to study the microscopic details of macroscopic phenomena known from ordinary atomic matter. This can be done, because dusty plasmas behave qualitatively similar to ordinary matter just at time and distance scales that are observable with simple techniques. We propose the investigation of the effect of strong magnetic fields, as well as the details of melting and deformations of two-dimensional matter by means of dusty plasma experiments and numerical simulations. Further we plan to work out the details of controlled dust particle transport in the plasma by varying the electrical characteristics of the discharge. This will be important in future applications where the dust has to be deposited on target surfaces. With the numerical simulation of the hot microwave plasma used for the synthesis of nano-particles and thin films we wish to identify the relation between the gas phase properties and the quality of the deposited material, leading opening new perspectives in process optimization.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Sebastian Wilczek, Jan Trieschmann, Denis Eremin, Ralf Peter Brinkmann, Julian Schulze, Edmund Schüngel, Aranka Derzsi, Ihor Korolov, Peter Hartmann, Zoltán Donkó , Thomas Mussenbrock: Kinetic interpretation of resonance phenomena in low pressure capacitively coupled radio frequency plasmas, Physics of Plasmas 23, 063514, 2016 | | K. N. Dzhumagulova, R. U. Masheyeva, T. Ott, P. Hartmann, T. S. Ramazanov, M. Bonitz, Z. Donkó: Cage correlation and diffusion in strongly coupled three-dimensional Yukawa systems in magnetic fields, Physical Review E 93, 063209, 2016 | | M. Rosenberg, G. J. Kalman, P. Hartmann, Z. Donkó: Waves in a quasi-two-dimensional superparamagnetic dusty plasma liquid in a trap, Physical Review E. 94, 033203, 2016 | | P. Magyar, P. Hartmann, G. J. Kalman, K. I. Golden, Z. Donkó: Factorization of 3-Point Static Structure Functions in 3D Yukawa Liquids, Contrib. Plasma Phys. 56, No. 9, 816 - 829, 2016 | | Sebastian Wilczek, Jan Trieschmann, Denis Eremin, Ralf Peter Brinkmann, Julian Schulze, Edmund Schüngel, Aranka Derzsi, Ihor Korolov, Peter Hartmann, Zoltán Donkó , Thomas Mussenbrock: Kinetic interpretation of resonance phenomena in low pressure capacitively coupled radio frequency plasmas, Physics of Plasmas 23, 063514, 2016 | | K. N. Dzhumagulova, R. U. Masheyeva, T. Ott, P. Hartmann, T. S. Ramazanov, M. Bonitz, Z. Donkó: Cage correlation and diffusion in strongly coupled three-dimensional Yukawa systems in magnetic fields, Physical Review E 93, 063209, 2016 | | M. Rosenberg, G. J. Kalman, P. Hartmann, Z. Donkó: Waves in a quasi-two-dimensional superparamagnetic dusty plasma liquid in a trap, Physical Review E. 94, 033203, 2016 | | P. Hartmann, J. C. Reyes, I. Korolov, L. S. Matthews, T. W. Hyde: Simple experiment on the sputtering rate of solids in gas discharges, Physics of Plasmas 24, 060701, 2017 | | T. Ott, M. Bonitz, P. Hartmann, and Z. Donkó: Spontaneous generation of temperature anisotropy in a strongly coupled magnetized plasma, Phys. Rev. E 95, 013209, 2017 | | Yu. V. Arkhipov, A. Askaruly, A. E. Davletov, D. Yu. Dubovtsev, Z. Donkó, P. Hartmann, I. Korolov, L. Conde, and I. M. Tkachenko: Direct Determination of Dynamic Properties of Coulomb and Yukawa Classical One-Component Plasmas, Phys. Rev. Lett. 119, 045001, 2017 | | Z. Donkó, P. Hartmann, P. Magyar, G. J. Kalman, and K. I. Golden: Higher order structure in a complex plasma, Physics of Plasmas 24, 103701, 2017 | | Z. Donkó, A. Derzsi, I. Korolov, P. Hartmann, S. Brandt, J. Schulze, B. Berger, M. Koepke, B. Bruneau, E. Johnson, T. Lafleur, J-P. Booth, A. R. Gibson, D. O’Connell and T Gans: Experimental benchmark of kinetic simulations of capacitively coupled plasmas in molecular gases, Plasma Phys. Control. Fusion 60, 014010, 2018 | | L. Himics, M. Veres, S. Tóth, I. Rigó, and M. Koós: Experimental Study of Spectral Parameters of Silicon-Vacancy Centers in MWCVD Nanodiamond Films Important for Sensing Applications, Petkov P., Tsiulyanu D., Popov C., Kulisch W. (eds) Advanced Nanotechnologies for Detection and Defence against CBRN Agents. NATO Science for Peace and Security Series B:, 2018 | | Z. Donkó, A. Derzsi, I. Korolov, P. Hartmann, S. Brandt, J. Schulze, B. Berger, M. Koepke, B. Bruneau, E. Johnson, T. Lafleur, J-P. Booth, A. R. Gibson, D. O’Connell and T Gans: Experimental benchmark of kinetic simulations of capacitively coupled plasmas in molecular gases, Plasma Phys. Control. Fusion 60, 014010, 2018 | | L. Bischoff, G. Hübner, I. Korolov, Z. Donkó , P. Hartmann, T. Gans, J. Held, V. Schulz-von der Gathen , Y. Liu , T. Mussenbrock, J. Schulze: Experimental and computational investigations of electron dynamics in micro atmospheric pressure radio-frequency plasma jets operated in He/N2 mixtures, Plasma Sources Sci. Technol. 27, 125009, 2018 | | Z. Donkó, P. Hartmann, I. Korolov , V. Jeges, D. Bošnjaković, S. Dujko: Experimental observation and simulation of the equilibration of electron swarms in a scanning drift tube, Plasma Sources Sci. Technol. 28, 095007, 2019 | | A. R. Gibson, Z. Donkó, L. Alelyani, L. Bischoff, G. Hübner, J. Bredin, S. Doyle, I. Korolov, K. Niemi, T. Mussenbrock, P. Hartmann, J. P. Dedrick, J. Schulze, T. Gans, D. O’Connell: Disrupting the spatio-temporal symmetry of the electron dynamics in atmospheric pressure plasmas by voltage waveform tailoring, Plasma Sources Sci. Technol. 28, 01LT01, 2019 | | P. Hartmann, J. C. Reyes, E. G. Kostadinova, L. S. Matthews, T. W. Hyde, R. U. Masheyeva, K. N. Dzhumagulova, T. S. Ramazanov, T. Ott, H. Kählert, M. Bonitz, I. Korolov, Z. Donkó: Self-diffusion in two-dimensional quasimagnetized rotating dusty plasmas, PHYSICAL REVIEW E 99, 013203, 2019 | | L. Himics, M. Veres, S. Tóth, I. Rigó, M. Koós: Origin of the asymmetric zero-phonon line shape of the silicon-vacancy center in nanocrystalline diamond lms, Journal of Luminescence 215, 116681, 2019 | | I. Donkó, P. Hartmann, Z. Donkó: Molecular dynamics simulation of a two-dimensional dusty plasma, Am. J. Phys. 87 (12), 986, 2019 | | I. Korolov, Z. Donkó, G. Hübner, L. Bischoff, P. Hartmann, T. Gans, Y. Liu , T. Mussenbrock, J. Schulze: Control of electron dynamics, radical and metastable species generation in atmospheric pressure RF plasma jets by Voltage Waveform Tailoring, Plasma Sources Sci. Technol. 28, 094001, 2019 | | K. Kutasi, D. Popović, N. Krstulović, S. Milošević: Tuning the composition of plasma-activated water by a surface-wave microwave discharge and a kHz plasma jet, Plasma Sources Sci. Technol. 28, 095010, 2019 | | L. G. Silvestri, G. J. Kalman, Z. Donkó, P. Hartmann, M. Rosenberg, K. I. Golden, S. Kyrkos: Sound speed in Yukawa one-component plasmas across coupling regimes, PHYSICAL REVIEW E 100, 063206, 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
