1. Kas yra plazma?
Plazma, ketvirtoji materijos būsena, yra jonizuota dujinė medžiaga, sudaryta iš atomų su kai kuriais elektronais pašalintais ir teigiamų bei neigiamų jonų, susidarančių po atomų jonizacijos. Šios jonizuotos dujos susideda iš atomų, molekulių, atominių grupių, jonų ir elektronų. Taikant jį ant objektų paviršiaus, galima pasiekti itin švarų objektų valymą, paviršiaus aktyvavimą, ėsdinimą ir plazminio paviršiaus padengimą.
2. Kaip dirbtinai gauti plazmą?
Plazma gali būti generuojama naudojant dirbtines priemones, tokias kaip branduolių sintezė, branduolio dalijimasis, švytėjimo išlydis ir įvairių tipų išmetimai. Įvairių tipų plazma taip pat gali būti gaminama naudojant dirbtinio iškrovimo metodus, daugiausia įskaitant: švytėjimą (fluorescencinės lempos), lanką (elektros lanką) ir vainikinį išlydį (dažnai matomą aplink aukštos įtampos linijas). Tiksliam paviršių valymui, paviršiaus aktyvinimui ir modifikavimui, taip pat bioinžinerinių medžiagų, plastikų ir popieriaus paviršių apdirbimui dažniausiai naudojama žemos temperatūros plazma, sukuriama švytėjimo, vainikinės iškrovos ir dielektrinio barjerinio išlydžio būdu.
Aukšto dažnio elektriniame lauke dujų molekulės, tokios kaip deguonis, azotas, metanas ir vandens garai, esant žemam slėgiui, švytėjimo metu gali suskaidyti į pagreitintus atomus ir molekules. Tokiu būdu generuojami elektronai ir į teigiamus bei neigiamus krūvius išsiskirstę atomai ir molekulės susiduria su aplinkinėmis molekulėmis ar atomais, todėl molekulėse ir atomuose sužadinami elektronai, kurie patys yra sužadintos arba joninės būsenos. Šiuo metu medžiagos būsena yra plazmos būsenoje.
3. Kokie yra plazmos tipai?
1) Aukštos temperatūros plazma ir žemos temperatūros plazma. Aukštos temperatūros plazma reiškia visiškai jonizuotą arba lokaliai termiškai subalansuotą plazmą, kurioje elektronų temperatūra tiksliai lygi jonų ir dujų temperatūrai. Visų dalelių temperatūros yra beveik vienodos. Temperatūra itin aukšta, paprastai siekia 10–10 6K 8 (maždaug 100–100 mln. laipsnių Celsijaus). Žemos temperatūros plazma yra nešilumos pusiausvyros būsenoje, kur elektronų temperatūra yra daug aukštesnė nei jonų ir neutralių dalelių temperatūra. Dėl pernelyg didelio aukštos temperatūros plazmos poveikio objektų paviršiui intensyvumo ji retai naudojama praktikoje, o šiuo metu naudojama tik žemos temperatūros plazma.
2) Reaktyviųjų ir nereaguojančių dujų plazma. Ši klasifikacija pagrįsta plazmai gaminti naudojamų dujų cheminėmis savybėmis. Nereaguojančios dujos yra argonas (Ar), azotas (N2), azoto fluoridas (NF3), anglies tetrafluoridas (CF4) ir kt., o reaktyviosios dujos – deguonis (O2), vandenilis (H2) ir kt. Įvairių tipų dujų reakcijos mechanizmai valymo procese yra skirtingi, o reaktyvių dujų plazma pasižymi stipresniu cheminiu reaktyvumu.
4. Kokia yra plazmos ir objekto paviršiaus sąveika?
Cheminė reakcija tarp plazmos ir ruošinio paviršiaus visiškai skiriasi nuo įprastų cheminių reakcijų. Dėl didelio greičio elektronų bombardavimo daugelis kambario temperatūroje stabilių dujų ar garų gali reaguoti su ruošinio paviršiumi plazmos pavidalu, sukeldamos daug unikalių ir naudingų efektų:
1) Valymas ir ėsdinimas: Pavyzdžiui, valant deguonis dažnai naudojamas kaip darbinės dujos. Kai bombarduojamas pagreitintų elektronų, jis paverčiamas deguonies jonais ir laisvaisiais radikalais, kurie pasižymi stipriomis oksidacinėmis savybėmis. Ruošinio paviršiuje esantys teršalai, tokie kaip riebalai, srautas, fotorezistas, atpalaidavimo agentas ir perforavimo alyva, greitai oksiduojami į anglies dioksidą ir vandenį, kurie vėliau išsiurbiami vakuuminiu siurbliu, kad būtų galima išvalyti paviršių ir pagerinti drėkinamumą bei sukibimą. Žemos temperatūros plazminis apdorojimas apima tik negilų medžiagos paviršių (<10 nm) ir neturi įtakos birių medžiagų savybėms. Kadangi plazmos valymas atliekamas esant dideliam vakuumui, įvairūs aktyvūs jonai plazmoje turi ilgą vidutinį laisvą kelią, o jų įsiskverbimo ir prasiskverbimo gebėjimai yra stiprūs, todėl galima apdoroti sudėtingas struktūras, įskaitant smulkius vamzdelius ir aklinas skyles.
2) Funkcinių grupių įvedimas: polimerinių medžiagų plazminis apdorojimas dujomis, tokiomis kaip N2, NH3, O2 ir SO2, gali pakeisti paviršiaus cheminę sudėtį ir įvesti atitinkamas naujas funkcines grupes: -NH2, -OH, -COOH, -SO3H ir kt. Šios funkcinės grupės gali paversti visiškai inertiškus substratus, tokius kaip polietilenas, polipropilenas ir polietilenas, paviršius, polistirenas, polistirenas. poliškumas, drėkinamumas, sukibimas, reaktyvumas ir labai padidina jų naudojimo vertę. Skirtingai nuo deguonies plazmos, žemos temperatūros plazmos apdorojimas fluoro turinčiomis dujomis ant substrato paviršiaus gali patekti fluoro atomų, suteikdamas substratui hidrofobiškumą.
3) Polimerizacija: Daugelis vinilo monomerų, tokių kaip etilenas ir stirenas, gali būti polimerizuojami ruošinių paviršiuje plazmos sąlygomis, nereikalaujant jokių kitų katalizatorių ar iniciatorių. Netgi medžiagos, kurių negalima polimerizuoti įprastomis sąlygomis, pvz., metanas, etanas ir benzenas, plazmos sąlygomis ruošinių paviršiuje gali vykti kryžminė polimerizacija. Šis polimerizuotas sluoksnis gali būti labai tankus ir stipriai surištas su pagrindu. Užsienio šalyse plastikiniai alaus buteliai ir automobilių degalų bakai plazmos polimerizacijos būdu padengiami tokiu tankiu sluoksniu, kad būtų išvengta mikronutekėjimo. Biomedicininių polimerinių medžiagų paviršius taip pat gali būti padengtas šiuo tankiu sluoksniu, kad būtų išvengta toksiškų medžiagų, tokių kaip plastifikatoriai, difuzijos iš plastiko į žmogaus audinius. Optiniai komponentai dažnai gali būti padengti atitinkama optine plėvele ant jų paviršiaus naudojant plazmos polimerizacijos priemones, siekiant pagerinti optinių komponentų veikimą.
4) Plazmos sukeltas skiepijimas:
Procesas apima aktyvių laisvųjų radikalų generavimą polimerinių medžiagų paviršiuje per išankstinį plazmos apdorojimą, kuris sukelia vinilo monomerų polimerizaciją medžiagos paviršiuje. Plazma taip pat gali sukelti skiepijimo reakcijas ant tam tikrų netaisyklingų paviršių, pavyzdžiui, vidinių butelių sienelių. Parenkant tinkamus skiepijimo monomerus ir kontroliuojant atitinkamas skiepijimo reakcijos sąlygas, galima keisti medžiagos hidrofiliškumą arba vandens atstumimą, sukibimą, atsparumą korozijai, atsparumą dilimui, laidumą, pralaidumo selektyvumą ir biologinį suderinamumą. Todėl plazminis skiepijimas yra labai novatoriškas ir turi puikių pritaikymo galimybių.
