پلاسما چیست؟ | فیزیک پلاسما و کاربرد‌های آن

فیزیک پلاسما چیست؟

پلاسما یکی از چهار حالت اصلی مواد می‌باشد که با حرارت دادن مواد در حالت جامد، گذار فاز به حالت مایع، گاز و در نهایت پلاسما (در دمای فوق‌العاده زیاد) اتفاق می‌افتد. در حالت پلاسما، به دلیل دمای بالای محیط، برخی یا همه الکترون‌ها انرژی کافی برای خروج از قید پتانسیل هسته اتم‌ها را پیدا کرده و یک گاز یونیزه ایجاد می‌کنند. در نتیجه پلاسما شامل الکترون–یون‌های آزاد است و به همین دلیل رسانای الکتریکی است. از آنجا که در حالت عادی مواد دارای بار الکتریکی خنثی هستند، پلاسما نیز از نظر الکتریکی خنثی است. با توجه به این موضوع که بارهای الکتریکی متحرک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند، پلاسما می‌تواند دارای میدان مغناطیسی نیز باشد.

دمای پلاسما

معمولا پلاسما به اندازه‌ای چگال نیست که ذرات آن با یکدیگر برخورد زیادی داشته باشند، در نتیجه تبادل انرژی و همدمایی در این حالت مانند حالت گاز اتفاق نمی‌افتد. با اعمال میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی امکان دارد پلاسما از حالت تعادل خارج و دسته‌ای از ذرات با سرعت بسیار زیاد در آن تشکیل شود، در نتیجه پلاسما ممکن است در یک زمان دارای چندین دما باشد؛ به همین دلیل دمای یک تاج خورشیدی که از پلاسما تشکیل شده است، می‌تواند به میلیون‌ها درجه برسد، در حالی که دمای سطح خورشید چند هزار درجه است (شکل ۱).

تولید پلاسما

امروزه پلاسما با اعمال ولتاژ بالا بین دو الکترود، عمدتاً در یک محیط گازی با فشار پایین کنترل شده، به عنوان یک روش معمول برای کاربردهای مختلف در زمینه‌های مختلف تولید می‌شود. بسته به اعمال ولتاژ DC (جریان مستقیم) یا AC (جریان متناوب) به الکترودها، پلاسما خواص و کاربردهای متفاوتی پیدا می کند. پلاسمای تولید شده با استفاده از ولتاژ AC معمولاً پلاسما RF نامیده می‌شود که به محدوده فرکانس ولتاژ اعمال شده اشاره دارد که در محدوده فرکانس رادیویی (RF) از ۱۳.۵۶ مگاهرتز تا چندین گیگاهرتز است و توسط ژنراتورهای سیگنال RF ایجاد می شود.

نوع ماده هدف

پلاسمای RF به دلیل تغییر مداوم قطب الکتریکی و حذف بار جمع شده در سطح هدف عایق، قابلیت لایه‌نشانی کندوپاشی مواد رسانا و عایق را داراست. در مقابل، پلاسمای DC فقط می‌تواند اهداف رسانا را کندوپاش کند. همچنین ایجاد خود سوگیری DC روی سطح هدف در حین کندوپاش RF تأثیر مثبتی بر سرعت کندوپاش دارد.

نگهداری و پایداری پلاسما

پلاسمای RF می تواند زمان‌های عملیاتی طولانی‌تری را بدون نیاز به وقفه‌های تعمیر و نگهداری با قابلیت اطمینان بیشتر در مقایسه با پلاسمای DC فراهم کند. عوامل مؤثر در تشکیل و پایداری پلاسما، مانند ویژگی‌های سیگنال همچون مدت زمان پالس، فرکانس و توان، همراه با فشار محفظه، در ژنراتورهای سیگنال RF که از شبکه تطبیق دقیق RF استفاده می‌کنند، قابل کنترل‌تر هستند. با این حال، پلاسمای DC برای انجام لایه‌نشانی‌های ساده رایج تر است.

دیگر کاربردهای پلاسما

• چاقوی پلاسما
• تلویزیون پلاسما
• تفنگ الکترونی
• لامپ پلاسما (گوی پلاسما)
• رآکتور‌های هسته‌ای
• پیشران موشک
• صنایع نظامی

پلاسما و دستگاه‌های لایه نشانی در خلاء

دستگاه‌های لایه‌نشانی در خلاء شرکت پوشش‌های نانوساختار در صورت تمایل کاربر، با قابلیت تمیز کردن سطح با استفاده از پلاسما (Plasma Cleaning) پیش از انجام لایه‌نشانی ارائه می‌شوند. سیستم‌های مگنترون اسپاتر کوتر رومیزی مدل DST1-300، سیستم دوگانه اسپاترکوتر و لایه‌نشان کربن رومیزی با پمپ روتاری (DSCR) و مجهز به پمپ توربو (DSCT) و اسپاتر کوتر سه کاتده مدل DST3 از جمله سیستم‌های لایه‌نشانی تولید شده در شرکت پوشش‌های نانوساختار می‌باشند که دارای قابلیت تمیز کردن سطوح با پلاسما را دارند. در صورت تمایل به آشنایی بیشتر با این محصولات به وبسایت شرکت مراجعه فرمایید.

منابع

1. https://www.psfc.mit.edu/vision/what_is_plasma
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_(physics)
3. https://www.livescience.com/54652-plasma.html
4. http://thescienceexplorer.com/technology/fourth-state-matter-plasma-technology-improve-bone-healing
5. https://www.nasa.gov/mission_pages/sdo/multimedia/potw/potw30.html
6. https://www.nasa.gov/mission_pages/hinode/solar_017.html
7. https://vactechniche.com/rf-plasma-formation-process/#:~:text=Mechanism%20of%20Plasma%20Generation%20with%20RF&text=Gas%20Ionization%3A%20RF%20energy%20is,ionization%20of%20atoms%20or%20molecules.
8. Sima, J., Wang, J., Song, J., Du, X., Lou, F., Pan, Y., … & Zhao, G. (2023). Dielectric barrier discharge plasma for the remediation of microplastic-contaminated soil from landfill. Chemosphere, 317, 137815.
9. Du, ChangMing, and JianHua Yan. Plasma remediation technology for environmental protection. Springer Singapore, 2017.
10. https://kindle-tech.com/faqs/what-is-the-difference-between-rf-plasma-and-dc-plasma#:~:text=RF%20plasma%20operates%20at%20lower,pressures%2C%20typically%20under%2015%20mTorr.
11. Park, Sang Eun, et al. “Properties of gallium-doped zinc-oxide films deposited by RF or DC magnetron sputtering with various GZO targets.” Journal of the Korean Physical Society 54.3 (2009): 1283-1287.