Přednáška 4 Úvod do fyziky plazmatu : základní charakteristiky plazmatu, plazma v elektrickém vf plazma. Doutnavý výboj : oblasti výboje
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.
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
Úvod do fyziky plazmatu velmi zjednodušené a zaměřené zejména na aplikace vytváření povlaků a nanotechnologie
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)
Plazma kolem nás asi 99% hmoty ve vesmíru je v plazmatickém stavu plazma aplikace ve zdrojích světla, materiálovém inženýrství (elektronika, odolné povlaky,...)
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
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 1.38 10 23 23 1 1.38 10 T 1 T K 1 JK T K K ev K ev K 1.602 10 Energie 1.5 ev odpovídá cca 10000 o C 19 11609
Typické energie částic výboje za nízkých tlaků T e = 10 000 50 000 K T a = T i = 300 350 K obloukový atmosférický výboj T e = 10 000 50 000 K T a = T i = 2 000 20 000 K
Stavy částic stavba atomu Jak vypadá atom jednoduchý model atomu vodíku hranice kontinua e 3. 23 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
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
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
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 19.8 24.6 6 C 1.26 11.3 7 N 2.38 14.6 18 Ar 11.6 15.8
Ionizace molekul elektrony Molekula H 2 Ionizační en. 15.427 ev N 2 15.576 O 2 12.063 NO 2 9.78 CH 3 10.19 CH 4 12.704
A co disociace molekul Molekula Dis. en. tepelná dopadem el. H 2 4.475 ev 8.8 ev N 2 9.760 24.3 O 2 5.080 7.0 NO 6.48 přes 10 ev tepelná energie není zcela ekvivalentní s procesem srážky s elektronem
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
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
Příklad účinného průřezu
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
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)
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) 14 12 10 8 6 4 2 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 1 2 3 Ar - Ar + Ionizační srážková kaskáda 15.76 ev 0 0 50 100 150 200 250 Discharge voltage (V)
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
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)
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 1889 http://en.wikipedia.org/wiki/paschen's_law
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
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
Charakteristika DC výboje Obvyklý režim výboje pro materiálové aplikace
DC doutnavý výboj Long tube n e >= n i n e = n i typical values about 10 10 cm -3 n e << n i
DC doutnavý výboj Pro využití ve zdrojích světla emise v UV oblasti
DC doutnavý výboj Pro využití v oblasti materiálových technologií
Literatura http://en.wikipedia.org/wiki/glow_discharge