11

Fsica del plasmaun mundo de nuevas aplicaciones

J. Cotrinocotrino@us.es

Grupo de Superficies, Intercaras y Lminas delgadas

Instituto de Ciencia de MaterialesCSIC-US

FAMN

2

Resumen

Asignatura curso 2004-05 Descargas en gases: qu son? Ejemplos

La lmpara fluorescenteEl lser de He-NePECVD a:Si-H

Fenomenologa bsica de un plasma de descarga Algunas aplicaciones de los plasmas de descarga

23

Asignatura curso 2004-05

4

Aulas y horario: Sala de Juntas,

Tutoras: Mircoles y Jueves de 8:30 a 11:00, Martes de 8:30 a 11:00

Fechas de exmenes:

1a convocatoria el 27 / 06 / 05 Aula IV; 9 : 302a convocatoria el 09 / 09 / 05 Aula III; 9 : 30

12:30-13:3011:30-12:3011:30 13.30JuevesMircolesMartes

35

Tema 1.- INTRODUCCIN A LA FSICA DE PLASMASConcepto de plasma. Introduccin histricaPlasma en diversas situaciones. reas ms importantesPlasma trmicos y no trmicos. Tecnologa de plasmaCuasineutralidad. Respuestas espacial y temporalPlasma ciencia y tecnologa. Plasma en Internetreas de investigacin, algunas clasificaciones

Tema 2.- PARMETROS DEL PLASMAClasificacin del plasma. Partculas y camposEscalas de tiempo y espacio en el plasmaEl parmetro del plasmaPlasma en equilibrio termodinmicoProcesos colisionales y radiativosRuptura del equilibrio. Balances propios e impropiosMagnetizacin

6

Tema 3.- FORMACIN DE VAINAS. SONDAS DE LANGMUIRRuptura de la cuasineutralidad. Formacin de la vaina en plasmaDiodos de Plasma. Ley de ChildTeora lineal y no lineal de formacin de la vainaCriterio de Bohn. Vaina MatrixInteraccin de iones con superficies. El problema de la pared en los reactores de fusinSondas de Langmuir. Medida de la funcin de distribucin de energaOtras tcnicas de diagnosis

Tema 4.- PLASMA SIN COLISIONES. DERIVASEcuaciones de Maxwell. Teorema de Poyting. Plasma sin colisionesPartculas en campo electromagnticos. Campos uniformesCampos variables en el tiempoCampos inhomogneosEspejos magnticos. Confinamiento de los electrones. Sistema ECRCalentamiento magnetoelctrico

47

Tema 5.- CINTICA DE PLASMA. COLISIN Y RADIACINFuncin de distribucin y ecuacin de BoltzmannMomentos de la ecuacin de BoltzmannIntegral de colisin. Choques atmicos y molecularesBalances de partcula y energa en el plasma

Tema 6.- PLASMA COMO FLUIDO. ELECTRNICA GASEOSAEspecies en la descarga gaseosaIntegrales de colisinEcuacin de continuidad. Modelos colisionales y radiativosEcuaciones de transporteModelo del electrn medioDescarga elctrica a baja presin

8

Tema 7.- PLASMA COMO FLUIDO. DIFUSIN Y TRANSPORTEModelo de plasma como mezclaDifusin. Difusin ambipolarColumna positiva controlada por difusinEcuaciones de la magnetohidrodinmicaPlasma totalmente ionizado. ResistividadDifusin en plasmas totalmente ionizados

Tema 8.- FUENTES DE PLASMAPlasmas DC, columna positiva. Plasma CoronaPlasmas RF, modelo homogneo y no homogneo. Calentamiento estocstico.Plasma barreraPlasmas de microondas

59

Tema 9.- TECNOLOGA DE MATERIALES CON PLASMAIntroduccinModificacin de superficies. Sputtering, Etching y DeposicinDeposicin de lminas delgadasDescontaminacin con plasma

Bibliografa

Francis F. Chen, Introduction to Plasma and Controlled Fusion, Plenum Press, N.Y. 1988J. Reece Roth, Industrial Plasma Engineering, Institute of Physics Publishing, Bristol,1995R.O. Dendy, Plasma Dynamics, Oxford Science Publications, 1990B. Held, Physique des plasmas froids, Masson, 1994V.E. Golant, A.P. Zhilinsky y I.E. Sakharov, Fundamentals of Plasma Physics, Wiley,N.Y., 1977R.J. Goldston y P.H. Rutherford, Introduction to Plasma Physics, Institute of PhysicsPublishing, Bristol, 1995

10

Descargas en gases: qu son ?

611

Descargas en gases: qu son ?

Laser de He-Ne

Aurora borealPlasma rf de argon para procesamiento de materiales

Tubos de neon

Relmpago

Lmpara de plasma de arcode alta intensidad

12

E

P x dLey de Pashen

+ -E

Gas, presin PDistancia d entre electrodos

CREACIN DE UNPLASMA

DE DESCARGA

Descargas en gases: que son ?

713

Plasma: el cuarto estado de la materia

Gas ionizadoIgual nmero de cargas positivas y negativasNvel de ionizacin afecta a sus propiedades elctricasSe estima que constituye el 99% de la materia del Universo

Imagen rayos X del Sol Sonda YohkohSoft-X telescope (STX)

Descargas en gases: qu son ?

14

Dominio cientfico de Fsica del Plasma, Laseres y Fusin Nuclear

Plasmas de descargaBajas temperaturas

Bajas densidades

Descargas en gases: qu son ?

815

Descargas (terrestres) naturales relmpagoDescargas en gases: qu son ?

16

Descargas en gases: qu son ?

Laser de He-Ne

Plasma rf de argon para tratamiento de material

Tubos de neon

Lmpada de plasma de arcode alta intensidad

Descargas artificiales

Pantalla de plasma

Joint European Torus (JET)

917

Ejemplos

18

La lmpara fluorescente clsica Descarga en una mezcla gaseosa

- Hg (5-6 mTorr) radiacin UV- Ar (2-3 Torr) - gas inerte

Revestimento interno tipo fsforo

Temperatura electrnica: 1-2 eV(11 000 - 22 000 K)

Temperatura del gas: ~ 350 K Densidad electrnica: 1011 1012 cm-3

Produccin de fotones UV (transicin 2537 en Hg) ~ 55-60% potencia consumida

Conversin de fotones UV visble en el revestimiento de fsforo~ 85-90% (rend. cuntico) ; ~ 50% (rend. energtico)

Rendimiento total 25-30%

10

19

10,43 - Ionizacin

E (eV)

Nveles de energa del Hg

2537 55-60%

1849 8-9%

5

10

73S1

61P1

63P263P163P0

15,76 - IonizacinE (eV)

Nveles de energa del Ar

13

15

3p54s

3p54d

11

3p55p

3p53d

3p54p

3p55s

20

La lmpara fluorescente clsica

Nmero de lmparas fluorescentes en el mundo (excluido ex-URSS y China) 2x109

Nmero de lmparas de arco de alta intensidad2x108

Potencia consumida si 1/3 de estas lmpadas estuvieran simultneamenteencendidas

(suponiendo lmparas 60 W) - 1011 W Potencia total radiada en el visble (30% rendimento)

3x1010 W

11

21

El laser de He-Ne

Descarga en una mezcla gaseosa- He (~ 1 Torr) - Ne (~ 0.1 Torr)

Emisino laser 6328 (rojo) Potencia: 0.5 100 mW

Transferencia excitacinInversin de poblacinEmisin estimulada

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

22

He* + Ne

He + Ne*

r

E

E (eV)

Nveles de energia de He y Ne

19

2p53s17

2p55s

2p54p

2p54s23S1

21 21S0

2p53p

1S0 2p61S0

3.39 m

6328 1.15 m

rpida

12

23

Lig. libres

electrn

SiH3

PECVD a:Si-HPlasma Enhanced Chemical Vapor Deposition

Descarga capacitiva en una mezcla gaseosa- SiH4 (< 50%)- H2 (> 50%)

Presiones tpicas 300-1200 mTorr Excitacin rf a 13.56 MHz Tensin rf ~ 100 V (electrodo superior) Substrato a masa (electrodo inferior)

calentado entre 400-700 0C

Fragmentacin de la mezcla precursora por el plasmaTransporte de radicales hasta el substratoInteraccin plasma-superficie: depsito

24

PECVD a:Si-H

He + H+H + He + H2+H2 + He + H3+SiH2+ + He + SiH3+SiH + He + SiH2+2e + SiH3e + SiH3-SiH3- + He + SiH42e + H+ + H2e + H2+e + H22e + SiH2+ + H22e + SiH3+ + He + SiH4

H3+ + HH2+ + H2SiH3+ + H2H+ + SiH4SiH3+ + H2 + HH2+ + SiH4SiH3+ + H2 + H2H3+ + SiH4SiH3+ + HSiH2+ + H2Si2H4+ + H2SiH2+ + SiH4SiH3+ + SiH3SiH2+ + SiH4SiH4H+ + SiH3-SiH3 + H2H2+ + SiH3-SiH4 + H2H3+ + SiH3-SiH2 + SiH3SiH2+ + SiH3-SiH3 + SiH3SiH3+ + SiH3-

Cintica de especies cargadas

13

25

PECVD a:Si-HCintica de especies neutras

Si + SiH4 H2 + Si2H3SiH + SiH4 H2 + Si2H3SiH2 + SiH4 Si2H6SiH2 + Si2H6 Si3H8SiH3 + SiH3 SiH2 + SiH4SiH3 + Si2H6 SiH4 + Si2H5

H + SiH4 H2 + SiH3H + SiH3 H2 + SiH2H + SiH2 H2 + SiHH + Si2H6 SiH3 + SiH4

H2 + Si2H5H + SiH H2 + SiH + Si3H8 Si2H5 + SiH4H2 + SiH2 SiH4

26

PECVD a:Si-HPerfil espacio-temporal del campo elctrico

14

27

PECVD a:Si-HPerfiles de densidad y energa electrnica en el reactor

1.63.2

4.86.4

0.00

0.04

0.08

0.12

0.00.8

1.62.4

3.2

n e (1

010 c

m-3)

z (cm)r (cm)

1.63.2

4.86.4

0

5

10

15

20

25

0.00.8

1.62.4

3.2

() (

eV)

r (cm)

z (cm)

28

Fenomenologa de unplasma de descarga

15

29

Plasma activoA, A2, A*, A2*

A+, A, e

Fuentes de ionizacin (dc/rf/hf; cw/pw)Creacin de campos de mantenimientoE/N vs. pR (dados ne en funcin de I)

Cintica y transporte de partculas cargadasCreacin de campos electrostticos

Cintica y transporte de especies neutrasMecanismos colisionales-radiativos

Interaccin plasma-onda Anlisis microscpico de la cintica electrnicaObtencin de la FDEE y parmetros de transporte

Anlisis microscpico de la cintica vibracional

Obtencin de la FDV

Interaccin plasma-superficie

Depsito, grabado, cintica superficial

Interaccinradiacin-materia

Transporte radiativo

Fenomenologa de un plasma de descarga

30

Algunas aplicaciones de los

plasmas de descarga

16

31

Aplicaciones de los plasmas de descargaIluminacin Laseres

Lmpara de plasma de arcode alta intensidad

Lmpada ICP de Ar-Hg

Laser de He-Ne

Laser IR de CO (ar+N2+He)

32

Aplicaciones de los plasmas de descargaTratamiento de superficies

Nitruracin de metales

Procesamiento con descargas corona

de plsticos

Grabado por ICP95% Ar + 5% Cl2

Implantacin inicaen lentes

17

33

Aplicaciones de los plasmas de descarga

Crecimiento de cermicasmetales o compuestos

Depsito de materiales

PECVD

Fibras CH4 en un electrodo metlico

Spray porplasma de arco

34

Aplicaciones de los plasmas de descarga

Nanotubos de carbono (paredes simples)producidos por un plasma de CO

pticamente excitado por laser

Crecimiento de materiales

Cristales de diamanteproducidos por un plasma de CO-CH4

pticamente excitado por laser

18

35

Aplicaciones de los plasmas de descargaAnlisis qumico

Ablacin por laser Nd-Yag - LIPSAntorcha ICP de plasma atmosfrico

36

Aplicaciones de los plasmas de descargaTratamiento de residuos

19

37

Aplicaciones de los plasmas de descargaEsterilizacin con plasma

Experiencia de plasma para eliminacin de priones: partculas proteicas muy patgenas responsables, por ejemplo, de las encefalopatias espongiformes (vaca loca, enfermedad de Creutzfeldt-Jakob)

Sistema de esterilizacin con plasma de perxido de hidrgeno de baja temperatura

utilizado en la esterilizacin rpida (55 min) de instrumentos quirrgicos en salas de operaciones

38

Pantallas deplasma

Propulsoresa plasmaMotores inicos

Mini-ICP(f y p elevadas)

Aplicaciones de los plasmas de descarga

20

39

Estudios fundamentales

Descarga DC de 10 mTorren xenon

Descarga DC con estras en vapor de agua

Confinamiento multipolar De una descarga de argon

a baja presin

Aplicaciones de los plasmas de descarga

40

Entretenimiento

Aplicaciones de los plasmas de descarga

21

41

y adems

Separacin de istoposFuentes de partculasConversin de energaInterruptoresAplicaciones ambientales

(descontaminacin de aire y agua; regeneracin atmosfrica)

Aplicaciones de los plasmas de descarga