پلاسمای تخلیه الکتریکی تابان (Glow Discharge) چیست؟
پلاسمای ایجاد شده از طریق تخلیه الکتریکی گاز موجود بین دو الکترود در یک محفظه خلاء، پلاسمای تخلیه الکتریکی تابان نامیده می‌شود. تخلیه الکتریکی تابان زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌های آزاد پلاسما با یون‌های مثبت بازترکیب شده و فوتون تابش می‌کنند. این پدیده حالتی بین دو نوع تخلیه الکتریکی با جریان کم (تخلیه الکتریکی تاریک و بدون تابش نور) و جرقه‌زنی (تخلیه الکتریکی با تولید جریان و تابش بسیار زیاد) است (شکل ۱). پلاسمای تخلیه الکتریکی تابان حاوی ذرات پرانرژی یونیزه گاز است و کاربردهای مختلفی مانند تمیز کردن یا پوشش‌دهی یک سطح (مانند لایه‌نشانی اسپاترینگ) می‌تواند داشته باشد.
شکل ۱. پدیده تخلیه الکتریکی تابان (راست) و نمودار I-V یک تیوب پلاسمای گاز نئون در فشار یک تور در بازه‌های مختلف تخلیه الکتریکی (چپ).
تشکیل پلاسمای تخلیه الکتریکی تابان جریان مستقیم
برخوردهای پی‌درپی میان ذرات گاز میان دو الکترود (مانند الکترون، یون و اتم‌های خنثی) می‌تواند منجر به تخلیه الکتریکی و شکست الکتریکی شود. طول پویش آزاد الکترون‌ها در محفظه پلاسما تاثیر بسزایی در مقدار انرژی دریافت شده توسط آن به هنگام رسیدن به آند دارد. بر اساس نتایج تحقیقات انجام شده، حداقل ولتاژ شکست (Vb) بستگی به نوع و فشار گاز (p)، فاصله بین الکترودها (d) و شعاع الکترود (r) دارد.
رابطه (۱) Vb = f(pd, d/r)
با توجه به رابطه (۱)، Vb با مقدار p×d و نسبت d/r رابطه مستقیم دارد. شکل ۲، نمودارهای پاشن ولتاژ شکست بر حسب مقادیر متفاوت p، d و r را نمایش داده شده است.
رنگ پلاسما
درخشش پلاسما ناشی از تابش فوتون‌ها در اثر بازگشت اتم‌های تحریک شده به حالت پایدار و کم انرژی‌تر است. طول موج فوتون‌های تابشی تعیین کننده رنگ پلاسما هستند، که به ترازهای انرژی اتمی/مولکولی، و در نتیجه نوع گاز و خلوص آن بستگی دارد. از طرفی سطوح بسیار آلوده موجب ایجاد جرقه در حین تشکیل پلاسما می‌شوند.
بخش‌های مختلف پلاسمای تخلیه الکتریکی
یک پلاسمای تخلیه الکتریکی تابان دارای بخش‌های مختلفی است که در شکل ۳ به نمایش درآمده است:
- لایه کاتدی با بار فضایی مثبت در فشار گاز بالا
- تابش منفی محدوده‌ای دارای الکترون‌های کم سرعت با چگالی بالاست که به راحتی با یون‌های مثبت بازترکیب شده و فوتون تابش می‌کند
- منطقه تاریک فارادی توسط الکترون‌های کم انرژی از محدوده پیشین (تابش منفی) ایجاد می‌شود که منجر به کاهش تابش فوتون در این منطقه می‌شود
- ستون مثبت بخشی از لایه آندی با بار فضایی منفی و تعداد یون‌های کمتر است. الکترون‌هایی با انرژی حدود ۲ الکترون ولت می‌توانند اتم‌ها را برانگیخته کرده و فوتون نور مرئی تابش کنند. طول ستون مثبت در لوله‌های خلاء بلندتر، بیشتر است
- تابش آندی به دلیل میدان الکتریکی قوی‌تر در نزدیکی آند اتفاق می‌افتد
کاربردهای پلاسمای تخلیه الکتریکی تابان
پلاسمای تخلیه الکتریکی شامل الکترون‌ها و یون‌های پرانرژی است و فوتون تولید می‌کند، بنابراین می‌تواند در حوزه‌های مختلفی مورد استفاده قرار گیرد. یون‌های پرانرژی کاربردهای متفاوتی دارند که در ادامه بعضی از آنها را معرفی می‌کنیم:
- منبع نور: لامپ‌های پلاسمای نئون، صفحه‌های پلاسمای تلویزیون و لامپ‌های فلوئورسنت به طور گسترده‌ای در زندگی روزمره مورد استفاده است
- تمیزکننده پلاسمایی (plasma cleaning): یون‌های پرانرژی پلاسما مانند یک سمباده بر روی سطح مورد نظر عمل کرده و آلودگی‌های سطح را از بین می‌برند
- لایه‌نشانی با پلاسما: یون‌های پلاسما با کندوپاش هدفی که بر روی کاتد قرار داده شده است موجب ایجاد یک لایه از ذرات هدف بر روی زیرلایه می‌شوند
- فعالسازی پلاسمایی: با تشکیل پلاسما از گازهای مختلف بر روی سطح مورد نظر، می‌توان گروه‌های عاملی مختلفی بر روی آن ایجاد نمود و ویژگی‌های سطح مانند چسبندگی، آبدوستی و آبگریزی آن را تقویت نمود
- لایه‌های کربنی در توری‌های TEM به دلیل دارا بودن آلودگی‌های هیدروکربنی معمولا آبگریز هستند و ذرات آب به صورت قطراتی بر روی آنها جمع می‌شوند و به طور یکنواخت پخش نمی‌شوند. بنابراین، پیش از تصویربرداری TEM از محلول‌های حاوی آب، این سطوح نیازمند اعمال پلاسما برای تمیزسازی و آبدوست شدن هستند
- طیف‌سنجی تابش فوتون پلاسمای تخلیه الکتریکی (GDOES): این روش در آنالیز شیمیایی سطح جامدات رسانا کاربرد دارد
- طیف‌سنجی جرمی پلاسمای تخلیه الکتریکی (GDMS): این روش ابزاری قدرتمند برای تشخیص عناصر و تهیه پروفایل عمقی از سطح جامدات است
سیستم‌های تمیزکننده با پلاسمای تخلیه الکتریکی پوشش‌های نانوساختار
شرکت پوشش‌های نانوساختار سازنده دستگاه‌های لایه‌نشانی در خلاء به همراه امکان تمیزکنندگی زیرلایه با اعمال پلاسما بر سطح آن پیش از لایه‌نشانی است. همچنین از اعمال پلاسما بر توری‌های مورد استفاده در تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) برای آماده‌سازی آنها استفاده می‌شود.
اسپاترکوترهای رومیزی DSR1 و DST1، کربن کوترهای رومیزی DCR و DCT، و اسپاتر/کربن کوترهای رومیزی DSCR و DSCT (لایه‌نشان های میکروسکوپ الکترونی) از مدل‌های پرطرفدار برای آماده‌سازی نمونه‌های SEM و TEM هستند. این مدل‌ها امکان آبدوست‌سازی لایه‌های کربنی در هوا و در کمتر از ۱۰ دقیقه را دارند. این فرآیند معمولا در یک میدان الکتریکی مستقیم و در جریان حدود ۲۵ میلی‌آمپر انجام می‌شود.
امکان تمیزسازی پلاسمایی در لایه‌نشان‌های خلاء شرکت پوشش‌های نانوساختار مجهز به یک سیستم خود محافظتی است و پس از حداکثر ۳۰ دقیقه (زمان کافی برای تمیز/آبدوست سازی سطوح) پلاسما خاموش می‌شود. در این حالت، برای عدم آسیب رسیدن به دستگاه، در صورت نیاز می‌توان پلاسما را پس از یک بازه زمانی ۱۵ دقیقه‌ای دوباره فعال نمود. این زمان به صورت یک شمارش معکوس بر روی صفحه نمایش دستگاه نشان داده می‌شود.
امکان انتخاب و نصب تمیزکننده پلاسمایی در تقریبا تمامی دستگاه‌های لایه‌نشانی شرکت پوشش‌های نانوساختار، مانند دستگاه‌های لایه‌نشانی خلاء پایین و خلاء بالای DSR1 و DST1، DSCR و DSCT همچون دستگاه‌های با محفظه بزرگ مانند DST3 و DTT وجود دارد.
برخی از محصولات شرکت
منابع
- https://www.plasma.com/en/plasma-technology-glossary/colour-of-the-plasma/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Glow_discharge
- Lisovskiy, V. A., et al. “Validating the Goldstein–Wehner law for the stratified positive column of dc discharge in an undergraduate laboratory.” European journal of physics 33.6 (2012): 1537.
- Arumugam, Saravanan, Prince Alex, and Suraj Kumar Sinha. “Effective secondary electron emission coefficient in DC abnormal glow discharge plasmas.” Physics of Plasmas 24.11 (2017).
- Betti, Maria, and L. Aldave de las Heras. “Glow discharge mass spectrometry in nuclear research.” Spectroscopy Europe 15.3 (2003): 15-24.
- https://web.physics.ucsb.edu/~lecturedemonstrations/Composer/Pages/88.03.html
- Mathew, Prijil, et al. “Experimental verification of modified Paschen’s law in DC glow discharge argon plasma.” AIP Advances 9.2 (2019).