1. Mis on plasma?
Plasma, aine neljas olek, on ioniseeritud gaasiline aine, mis koosneb aatomitest, millest mõned elektronid on eemaldatud ning positiivsed ja negatiivsed ioonid tekivad pärast aatomite ioniseerimist. See ioniseeritud gaas koosneb aatomitest, molekulidest, aatomirühmadest, ioonidest ja elektronidest. Selle kasutamine objektide pinnal võib saavutada ülipuhta puhastamise, pinna aktiveerimise, söövitamise ja esemete plasmapinna katmise.
2. Kuidas saada kunstlikult plasmat?
Plasmat saab tekitada tehislike vahenditega, nagu tuumasünteesi, tuuma lõhustumise, hõõgumise ja erinevat tüüpi heitmete abil. Erinevat tüüpi plasmat saab toota ka tehislahendusmeetodite abil, sealhulgas: hõõg (luminofoorlambid), kaar (elektrikaar) ja koroonalahendus (sageli näha kõrgepingeliinide ümber). Pindade täppispuhastamiseks, pinna aktiveerimiseks ja muutmiseks, samuti biotehniliste materjalide, plastide ja paberi pinnatöötluseks kasutatakse enamasti hõõglahenduse, koroonalahenduse ja dielektrilise barjääri tühjenemise teel genereeritud madalatemperatuurilist plasmat.
Kõrgsageduslikus elektriväljas võivad madala rõhu all olevad gaasimolekulid nagu hapnik, lämmastik, metaan ja veeaur hõõgumise käigus laguneda kiirendatud aatomiteks ja molekulideks. Sel viisil genereeritud elektronid ning positiivseteks ja negatiivseteks laenguteks dissotsieerunud aatomid ja molekulid põrkuvad kokku ümbritsevate molekulide või aatomitega, mille tulemusel ergastuvad molekulides ja aatomites elektronid, mis ise on ergastatud või ioonses olekus. Sel hetkel on aine olek plasma olekus.
3. Millised plasmatüübid on olemas?
1) Kõrge temperatuuriga plasma ja madala temperatuuriga plasma. Kõrge temperatuuriga plasma viitab täielikult ioniseeritud või lokaalselt termiliselt tasakaalustatud plasmale, kus elektronide temperatuur on täpselt võrdne ioonide ja gaaside temperatuuridega. Kõikide osakeste temperatuurid on peaaegu identsed. Temperatuur on äärmiselt kõrge, ulatudes tavaliselt 10–10 6K 8 (ligikaudu 100–100 miljonit kraadi Celsiuse järgi). Madala temperatuuriga plasma on mittetermilises tasakaaluolekus, kus elektronide temperatuur on palju kõrgem kui ioonide ja neutraalsete osakeste temperatuur. Kuna kõrge temperatuuriga plasma mõju objektide pinnale on liiga tugev, kasutatakse seda praktilistes rakendustes harva ja praegu võetakse kasutusele ainult madala temperatuuriga plasma.
2) Reaktiivsete ja mittereaktiivsete gaaside plasma. See klassifikatsioon põhineb plasma tootmiseks kasutatavate gaaside keemilistel omadustel. Mittereaktiivsete gaaside hulka kuuluvad argoon (Ar), lämmastik (N2), lämmastikfluoriid (NF3), süsiniktetrafluoriid (CF4) jne, samas kui reaktiivsete gaaside hulka kuuluvad hapnik (O2), vesinik (H2) jne. Erinevat tüüpi gaaside reaktsioonimehhanismid puhastusprotsessis on erinevad, reaktiivsete gaaside plasmas on tugevam keemiline reaktsioonivõime.
4. Milline on plasma ja objekti pinna vastastikmõju?
Plasma ja tooriku pinna vaheline keemiline reaktsioon on tavapärastest keemilistest reaktsioonidest üsna erinev. Kiirete elektronide pommitamise tõttu võivad paljud toatemperatuuril stabiilsed gaasid või aurud reageerida töödeldava detaili pinnaga plasma kujul, tekitades palju ainulaadseid ja kasulikke efekte:
1) Puhastamine ja söövitamine: Näiteks puhastamise ajal kasutatakse töögaasina sageli hapnikku. Kiirendatud elektronidega pommitades muundatakse see hapnikuioonideks ja vabadeks radikaalideks, millel on tugevad oksüdeerivad omadused. Töödeldava detaili pinnal olevad saasteained, nagu rasv, räbusti, fotoresist, eraldusaine ja punchõli, oksüdeeritakse kiiresti süsihappegaasiks ja veeks, mis seejärel vaakumpumba abil ära pumbatakse, saavutades pinna puhastamise ning märgatavuse ja nakkuvuse parandamise eesmärgi. Plasmatöötlus madalal temperatuuril hõlmab ainult materjali madalat pinda (<10 nm) ega mõjuta puistematerjali omadusi. Kuna plasmapuhastus toimub kõrgvaakumis, on plasma erinevatel aktiivsetel ioonidel pikk keskmine vaba tee ning nende läbitungimis- ja läbitungimisvõime on tugev, võimaldades töödelda keerulisi struktuure, sealhulgas peentorusid ja pimeauke.
2) Funktsionaalrühmade sisseviimine: polümeermaterjalide plasmatöötlemine selliste gaasidega nagu N2, NH3, O2 ja SO2 võib muuta pinna keemilist koostist ja lisada vastavaid uusi funktsionaalrühmi: -NH2, -OH, -COOH, -SO3H jne. Need funktsionaalrühmad võivad muuta täiesti inertseid substraate, nagu polüetüleen, polüpropüleen ja polütetrafluoroet, funktsionaalseks pinnaks, polüstüreeniks. polaarsus, märguvus, siduvus, reaktsioonivõime ja nende kasutusväärtuse märkimisväärne suurendamine. Erinevalt hapnikuplasmast võib madala temperatuuriga plasmatöötlus fluori sisaldavate gaasidega viia substraadi pinnale fluori aatomeid, andes substraadile hüdrofoobsuse.
3) Polümerisatsioon: Paljud vinüülmonomeerid, nagu etüleen ja stüreen, võivad töödeldavate detailide pinnal plasmatingimustes polümeriseerida, ilma et oleks vaja muid katalüsaatoreid või initsiaatoreid. Isegi ained, mida ei saa tavatingimustes polümeriseerida, nagu metaan, etaan ja benseen, võivad plasma tingimustes töödeldavate detailide pinnal läbida ristsiduvat polümerisatsiooni. See polümeriseeritud kiht võib olla väga tihe ja tugevalt aluspinnaga seotud. Välisriikides kaetakse plastikust õllepudelid ja autode kütusepaagid plasmapolümerisatsiooni teel sellise tiheda kihiga, et vältida mikroleket. Selle tiheda kihiga võib katta ka biomeditsiiniliste polümeermaterjalide pinna, et vältida toksiliste ainete, näiteks plastifikaatorite difusiooni plastist inimese kudedesse. Optilisi komponente saab sageli katta nende pinnale sobiva optilise kilega plasma polümerisatsioonimeetmete abil, et parandada optiliste komponentide jõudlust.
4) Plasma poolt indutseeritud siirdamine:
Protsess hõlmab aktiivsete vabade radikaalide tekitamist polümeermaterjalide pinnal plasma eeltöötluse kaudu, mis käivitab vinüülmonomeeride polümerisatsiooni materjali pinnal. Plasma võib esile kutsuda ka pookimisreaktsioone teatud ebakorrapärastel pindadel, näiteks pudelite siseseintel. Valides sobivad pookimismonomeerid ja kontrollides sobivaid pookimisreaktsiooni tingimusi, saab muuta materjali hüdrofiilsust või vetthülgavust, adhesiooni, korrosioonikindlust, kulumiskindlust, juhtivust, läbilaskvuse selektiivsust ja biosobivust. Seetõttu on plasmasiirdamine väga uuenduslik ja sellel on suurepärased kasutusvõimalused.
