Přednáška 4. Úvod do fyziky plazmatu : základní charakteristiky plazmatu, plazma v elektrickém vf plazma. Doutnavý výboj : oblasti výboje

Transkript

1 Přednáška 4 Úvod do fyziky plazmatu : základní charakteristiky plazmatu, plazma v elektrickém vf plazma. Doutnavý výboj : oblasti výboje

2 Jak nahradit ohřev při vypařování Co třeba bombardovat ve vakuu povrch zdroje částic nějakými těžkými atomy? Asi, se jim podaří vyrazit z povrchu zdroje částic nějaké. Ty poletí až na substrát, kde vytvoří vrstvu. Jak urychlit a řídit tok těžkých atomů? Těžko! Ale, umíme ovládat let nabitých částic elektronů a iontů! To je ono projektily budou těžké ionty. Stačí argon hmotnost 40 amu.

3 Kde získat ionty? Kde v plynu za nízkého tlaku získat ionty? Snadno, pomocí elektronů a jejich srážek s neutrálními atomy v elektrické nebo elektromagnetickém poli. Co vznikne prostředí nazývané PLAZMA

4 Úvod do fyziky plazmatu velmi zjednodušené a zaměřené zejména na aplikace vytváření povlaků a nanotechnologie

5 Jak dlouho známé plazma? Počátky lze najít u Empedoklése (430 př. n.l.) čtyři živly: země, voda, vzduch, oheň* Crookes (1879) prostředí vytvořené elektrickým výbojem je čtvrtým stavem hmoty Langmuir (1923) prostředí tvořené elektrony, ionty, neutrály (atomy i molekuly) = plazma * není plazma jen excitované stavy, hoření zejména reakce singletního stavu molekuly O 2 (běžný je její tripletní stav)

6 Plazma kolem nás asi 99% hmoty ve vesmíru je v plazmatickém stavu plazma aplikace ve zdrojích světla, materiálovém inženýrství (elektronika, odolné povlaky,...)

7 Základní rozdělení horká plazma teploty všech částic jsou srovnatelné typické pro hvězdy (a částečně pro atmosférický obloukový plazmový výboj) studená plazma teplota elektronů mnohem větší než teplota iontů a neutrálních částic tímto druhem plazmatu se budeme dále zabývat

8 Energie částic střední kinetická energie částice je dána známým vztahem e = 3/2 kt (viz kinetická teorie plynů) přesně lze o T jako o teplotě mluvit pouze v termodynamické rovnováze, při Te >> Ta,i je T kinetická teplota částic, pro každý druh jiná míra energie částic je dána faktorem kt, kt T 1 T K 1 JK T K K ev K ev K Energie 1.5 ev odpovídá cca o C

9 Typické energie částic výboje za nízkých tlaků T e = K T a = T i = K obloukový atmosférický výboj T e = K T a = T i = K

10 Stavy částic stavba atomu Jak vypadá atom jednoduchý model atomu vodíku hranice kontinua e e 2 e 1 2. e 12 g 2 g 1 1. základní hladina e ij excitační energie pro přechod elektronu z hladiny i na j e ij ionizační energie pro i-tou hladinu g i statistická váha i-té hladiny

11 Stavy částic Metastabilní stavy vybuzený elektron v atomu spontánně přechází na nižší hladinu za dobu kolem 10-8 s a vyzáří při tom foton v některých stavech jsou optické přechody vyzáření fotonu zakázány, viz. kvantová mechanika, a tedy pravděpodobnost přechodu je nízká a doba existence takového stavu může být kolem 10-3 s, to jsou m.s. jsou důležitým úložištěm energie v plazmatu

12 Částice v plazmatu foton nemá vnitřní strukturu, energie e = hn elektron nemá vnitřní strukturu, energie volného el. je e = ½ m e v 2 atom (molekula) má vnitřní strukturu excitované stavy, u molekul rotační a vibrační stavy kladný iont i vícekrát ionizovaný, stavba jako atomy a molekuly záporný iont zachycený elektron, má jen základní hladinu a hranici kontinua, ele. afinita

13 Ionizační a excitační energie Atom.č. Prvek Exc. en. e 12 Ionizač. en e 1 1 H 10.2 ev 13.6 ev 2 He C N Ar

14 Ionizace molekul elektrony Molekula H 2 Ionizační en ev N O NO CH CH

15 A co disociace molekul Molekula Dis. en. tepelná dopadem el. H ev 8.8 ev N O NO 6.48 přes 10 ev tepelná energie není zcela ekvivalentní s procesem srážky s elektronem

16 Srážky nejjednodušší případy pro popis plazmatu lze použít tyto procesy srážek s elektrony A(m) + e C nm,f mn A + + e + e - ionizace atomů srážkami s zpětně tříčásticová rekombinace A(m) + e S m,o m A(n) + e excitace a deexcitace atomů srážkou s elektronem

17 Srážky nejjednodušší případy pro popis plazmatu lze použít tyto procesy srážek s fotony A(m) + hn mn (1-l mn )A mn,a mn A(n) zářivá excitace atomů a spontánní deexcitace A(m) + hn (1-l m )R m,r m A + + e foto ionizace a zářivá rekombinace atomů tedy z plazmatu vychází záření, a opačně (součastně) plazma záření i absorbuje

18 Příklad účinného průřezu

19 Srážet se mohou i těžké částice A(m) + B(1) A(n) + B(1) excitace a deexcitace A(m) + B A + + B + e ionizace a tříčásticová rekombinace A(m) + B(1) A(1) + B + + e ionizace a tříčásticová rekombinac, pokud je A(m) metastabilní stav, tak se nazývá Penningova ionizace A(m) + B (AB) + + e molekulární iont

20 Srážky s ionty další důležité srážky jsou ty s přenosem náboje mezi iontem a neutrálním atomem - symetrický přenos náboje A + + A(s) A(f) + A + - symetrický přenos náboje AB + e A - + B vznik záporných iontů e + A + B A - + B vznik záporných iontů reálně pro popis výboje nutno cca 200 až 300 rovnic včetně všech účinných průřezů (proměnné)

21 1 I úměrné U 2 oblast nasycení - všechny el. vzniklé fotoemisí dorazí na anodu (fotoemise z kosm. záření) 3 emise viditelného světla velice malá začíná ionizace - základ udržení výboje je fotoemise 4 růst I vliv sekundárních elektronů z katody po dopadu iontů Výboj za nízkého tlaku mějme takový systém a vhodný tlak I ~ V zvyšujme napětí a měřme proud + - Discharge Current (*10-10 A) e*u i = - ga s ioniza tion e ne rgy 4 U d - s e conda ry e le ctrons e mis s ion from e le ctrode Ar - Ar + Ionizační srážková kaskáda ev Discharge voltage (V)

22 Townsendovo kritérium průrazu plynu z VA charakteristiky je vidět, že výbojový proud prudce roste při napětích na průrazným kdy se začne uplatňovat ionizace, dále lze snadno odvodit, že výbojový proud I je úměrný podílu exp(ad)/(1 g(exp(ad) 1)). Kdy bude tedy proud maximální? a je koef. ionizace počet ionizací na jednotku dráhy letu el., d vzdálenost elektrod g je koeficient sekundární emise elektronů << 1

23 Townsendovo kritérium průrazu plynu podmínku pro max. proud 1 g(exp(ad) 1) = 0 lze přepsat na tvar g*exp(ad) = 1 tedy jeden primární elektron vytvoří jeden sekundární elektron, který převezme jeho funkci výboj se udrží samostatný bez nutnosti fotoemise (vnější zdroj elektronů z kosmického záření)

24 Paschenův zákon po dalších úpravách lze odvodit vztah U pr = funkce(pd) tedy průrazné napětí pro vznik samostatného výboje je závislé pouze na součinu tlaku a vzdálenosti katody a anody existuje minimum funkce experimentálně prokázáno roku

25 Co použít jiné než DC napájení lze, pak Paschenův zákon přejde do tvaru U pr = f(pd, fd) kde f je frekvence AC zdroje typicky pro součin pd = 1 Torr cm je závislost RF výboje

26 Oblasti 1 jako DC 2 klesá počet iontů dopadajících na elektrody vlivem oscilace el. pole, proto méně sek. el. 3 oscilace el. pole drží mezi elektrodami ionty i elektrony průrazné napětí rychle klesá 4 vliv fázového zpoždění způsobí nárůst průrazného napětí

27 Charakteristika DC výboje Obvyklý režim výboje pro materiálové aplikace

28 DC doutnavý výboj Long tube n e >= n i n e = n i typical values about cm -3 n e << n i

29 DC doutnavý výboj Pro využití ve zdrojích světla emise v UV oblasti

30 DC doutnavý výboj Pro využití v oblasti materiálových technologií

31 Literatura