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A survey on pattern formation in DC gas discharge systems [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Weifeng Shang

147 pages
Weifeng ShangA survey on pattern formationin DC gas discharge systems2007Experimentelle PhysikA survey on pattern formationin DC gas discharge systemsInaugural-Dissertationzur Erlangung des Doktorgradesder Naturwissenschaften im Fachbereich der Physikder Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨ atder Westf¨ alischen Wilhelms-Universit¨ at Mun¨ stervorgelegt vonWeifeng Shangaus Henan, Volksrepublik China– 2007 –Dekan: Prof. Dr. J. P. WesselsErster Gutachter: Prof. Dr. H.-G. PurwinsZweite Gutachterin: Prof. Dr. L. ChiTag der Disputation: 27.08.2007Tag der Promotion: 27.08.2007AbstractThe recent studies on pattern formation in systems driven far from thermodynamic equi-librium shed new light on our understanding about self-organization and thus provide anew perspective on a fundamental problem in philosophy and science, i.e. the origin oforder. Furthermore, a better understanding of self-organization may lead to new classesof methods for fabricating ordered structures, which are important in many applications.A brief survey of the experimental study on pattern formation in various types of sys-tems, i.e. fluid systems, chemical reaction di!usion systems, granular media, nonlinearoptical systems and dielectric barrier gas discharge is given in Chapter 1.
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Weifeng Shang
A survey on pattern formation
in DC gas discharge systems
2007Experimentelle Physik
A survey on pattern formation
in DC gas discharge systems
Inaugural-Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften im Fachbereich der Physik
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult¨ at
der Westf¨ alischen Wilhelms-Universit¨ at Mun¨ ster
vorgelegt von
Weifeng Shang
aus Henan, Volksrepublik China
– 2007 –Dekan: Prof. Dr. J. P. Wessels
Erster Gutachter: Prof. Dr. H.-G. Purwins
Zweite Gutachterin: Prof. Dr. L. Chi
Tag der Disputation: 27.08.2007
Tag der Promotion: 27.08.2007Abstract
The recent studies on pattern formation in systems driven far from thermodynamic equi-
librium shed new light on our understanding about self-organization and thus provide a
new perspective on a fundamental problem in philosophy and science, i.e. the origin of
order. Furthermore, a better understanding of self-organization may lead to new classes
of methods for fabricating ordered structures, which are important in many applications.
A brief survey of the experimental study on pattern formation in various types of sys-
tems, i.e. fluid systems, chemical reaction di!usion systems, granular media, nonlinear
optical systems and dielectric barrier gas discharge is given in Chapter 1. As
the present work focuses on pattern formation in gas discharge systems with a semicon-
ductor cathode driven with a direct-current source, the basics of gas discharge physics
are described in Chapter 2. An extensive review on the experimental results dispersed in
the literature, which have been obtained on this kind of gas discharge systems, is given
in Chapter 3. After describing the experimental setup in Chapter 4, the investigation
on the gas discharges with conductive electrodes is presented in Chapter 5. The results
of a systematic study on pattern formation in gas discharge systems with Si:Pt cathodes
are given in Chapter 6. The phase diagram of various generic patterns, i.e. hexagonal
spots and stripes, is quantitatively determined on the plane of the conductivity of the
semiconductor ! and the source voltage U . The issues of a quantitative reproducibil-0
ity of such phase diagrams are addressed. The influence of the gas pressure p and the
inter-electrode distance d on the phase diagram is investigated. Whereas previous exper-
imental work on this system used exclusively N as the working gas, the present study2
extended the experimental investigation to other gases, i.e. He, Ne and Ar. In the
case of Ar, hexagonally woven stripes (or negative hexagons), though already familiar
in dielectric barrier discharge systems, have been observed in the present direct-current
gas discharge system. The basic phenomenology and the typical phase diagram on !-
U plane are described and their dependence on p and d are investigated. When He0
or Ne are used as the working gas, the uniform state of the discharge is stable in the
investigated parameter ranges and no pattern formation is observed. Phenomenological
investigations have also been made in the case of other cathode materials, i.e. Si doped
with deep impurity Zn and GaAs compensated with Cr, and the results are presented in
Chapter 7. Finally the major results are summarized in Chapter 8.Zusammenfassung
Aktuelle Untersuchungen ub¨ er Strukturbildung in Systemen, die weit weg vom thermo-
dynamischen Gleichgewicht getrieben werden, werfen ein neues Licht auf unser Verst¨ andnis
von Selbstorganisation und liefern gleichzeitig eine neue Sicht auf ein grundlegendes
Problem in der Philosophie und in der Wissenschaft, n¨ amlich den Ursprung der Ordnung.
Darub¨ er hinaus kann ein besseres Verstandnis¨ der Selbstorganisation zu neuen Metho-
den fur¨ die Scha!ung geordneter Strukturen fuhren,¨ die in vielen Anwendungen wichtig
¨sind. Eine kurze Ubersicht der experimentellen Untersuchungen der Musterbildung
in verschiedenen Systemen, d.h. in Fluidsystemen, chemischen Reaktions-Di!usions-
Systemen, granularen Medien, nichtlinearen optischen Systemen und dielektrischen Bar-
rierenentladungssystemen, wird in Kapitel 1 gegeben. Weil diese Arbeit sich auf Muster-
bildung in einem Gasentladungssystem mit einer Halbleiterkathode konzentriert, das mit
einer Gleichspannungsquelle getrieben wird, werden die Grundlagen der Gasentladung
in Kapitel 2 beschrieben. Ein umfangreicher Review der experimentellen Ergebnisse, die
in derartigen Gasentladungssystemen erhalten wurden, wird in Kapitel 3 gegeben. Nach
einer Beschreibung des experimentellen Aufbaus in Kapitel 4 wird die Untersuchung von
Gasentladungen mit Metallelektroden in Kapitel 5 dargestellt. Kapitel 6 enth¨ alt die
Ergebnisse einer systematischen Untersuchung der Musterbildung in Gasentladungssys-
temen mit Si:Pt Kathoden. Das Zustandsdiagramm in der Ebene der Kontrolparameter
(die Leitf¨ahigkeit des Halbleiters ! und die Quellspannung U ) wird experimentell bes-0
timmt. Die quantitative Reproduzierbarkeit solcher Zustandsdiagramme innerhalb des
Fehlers wird bewiesen. Der Einfluß des Gasdrucks p und des Abstands d zwischen bei-
den Elektroden auf das Zustandsdiagramm wird untersucht. W¨ ahrend vorhergehende
Experimente mit diesem System ausschließlich N benutzten, werden in der vorliegen-2
den Untersuchung auch andere Gase, d.h. He, Ne und Ar, verwendet. Im Falle von Ar
werden die Ph¨ anomenologie der Musterbildung und das typische Zustandsdiagramm in
der !-U Ebene beschrieben und die Abh¨ angigkeit des Zustandsdiagrams von p und d0
untersucht. Wenn He oder Ne verwendet wird, ist der homogene Zustand der Entladung
innerhalb des untersuchten Parameterbereichs stabil und es wird keine Musterbildung
beobachtet. Ph¨ anomenologische Untersuchungen werden auch im Falle von andereren
Kathodematerialien, d.h. Si:Zn und GaAs:Cr, durchgefuhrt¨ und in Kapitel 7 dargestellt.
Schließlich werden die wichtigsten Ergebnisse in Kapitel 8 zusammengefasst.Acknowledgements
First of all, I would like to thank my supervisor, Prof. Dr. Hans-Georg Purwins, for
giving me the opportunity to work in his group at the Institut fur¨ Angewandte Physik,
Westf¨ alische Wilhelms-Universit¨ at Munster,¨ and enabling me to have a first contact with
an exciting subject in natural science, i.e. pattern formation in nonlinear systems far
from equilibrium, and for his continuous support during the last several years. I thank
Dr. L. M. Portsel and Dr. Yu. A. Astrov from A. F. Io!e Physico-Technical Institute of
the Russian Academy of Science (St. Petersburg, Russia) for their help concerning the
experiments. I also thank my co-supervisor Prof. Dr. Lifeng Chi (Physikalisches Institut,
Westf¨ alische Wilhelms-Universit¨ at Mu¨nster) for her help and support. My special thanks
go to Dr. Michel H. J. Koch at the European Molecular Biology Laboratory (EMBL)
Hamburg Outstation, for his continuous help and encouragement throughout the years
I lived in Germany.
I appreciate the readiness of Dr. Gun¨ ter Klempt to help with, among other things,
organizational and bureaucratic a!airs related to my residence permits and work con-
tracts. I thank our group members, Dr. Sh. Amiranashvili, Dr. J. Berkemeier, Dr. H.
U. B¨odeker, Dr. E. L. Gurevich, Dr. S. V. Gurevich, Mr J. Laven, Dr. V. M. Marchenko,
Dr. L. Stollenwerk, and Dr. A. L. Zanin, for their help. I also thank all those at the
institute who helped me, especially Mr Schoppmann and Mr Wensing from the mechan-
ical workshop, Mr Osthues and Mr van Tee!elen from the electronics workshop, and Mr
Stratho!. I also thank Dr. Wenchong Wang and Dr. Dingyong Zhong (Physikalisches
Institut, Westf¨alische Wilhelms-Universitat¨ Munster)¨ for their help with the preparation
of samples.
I would also like to thank Mrs Ingrid Purwins for teaching me, with patience and
e!ort, the german language, which opens a wonderful new world in front of me and now
becomes an invaluable asset in my life.
I would like to express my gratitude to the graduate school at the Institut fur¨
Angewandte Physik (Graduiertenkolleg “Nichtlineare kontinuierliche Systeme und deren
Untersuchung mit numerischen, qualitativen und experimentellen Methoden”) for the
stipend between 11.2003-12.2005 and the Westf¨ alische Wilhelms-Universit¨ at Muns¨ ter
for financial support between 01.2006-05.2007. My special appreciation goes to the In-
stitut fur¨ Angewandte Physik (Westf¨alische Wilhelms-Universit¨ at Munster)¨ for financing
my participation in several conferences in Germany and abroad, and the Isaac Newton
Institute for Mathematical Science for financing my participation in the summer school
and workshop on pattern formation in large domains (Cambridge, UK, Aug 1-12, 2005).
To my family who give me their continuous and distant support, I would like to say:

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