Plazmové čištění - Plasma cleaning
Čištění plazmy je odstraňování nečistot a kontaminantů z povrchů pomocí plazmy energetické plazmy nebo výboje dielektrické bariéry (DBD) vytvořené z plynných druhů. Používají se plyny jako argon a kyslík , jakož i směsi jako vzduch a vodík / dusík. Plazma je vytvářena pomocí vysokofrekvenčních napětí (typicky kHz až> MHz) k ionizaci nízkotlakého plynu (typicky kolem 1/1000 atmosférického tlaku), ačkoli plazmy za atmosférického tlaku jsou nyní také běžné.
Metody
V plazmě jsou atomy plynu excitovány do vyšších energetických stavů a také ionizovány. Když se atomy a molekuly „uvolňují“ do svých normálních stavů s nižší energií, které uvolňují foton světla, vede to k charakteristické „záři“ nebo světlu spojenému s plazmou. Různé plyny dávají různé barvy. Například kyslíková plazma vydává světle modrou barvu.
Mezi aktivované druhy plazmy patří atomy , molekuly , ionty , elektrony , volné radikály , metastabilní látky a fotony v ultrafialovém dosahu krátkých vln (vakuové UV nebo VUV). Tato směs pak interaguje s jakýmkoli povrchem umístěným v plazmě.
Pokud je použitým plynem kyslík, je plazma účinnou, ekonomickou a ekologicky bezpečnou metodou pro kritické čištění. Energie VUV je velmi účinná při rozbíjení většiny organických vazeb (tj. C – H, C – C, C = C, C – O a C – N) povrchových kontaminantů. To pomáhá rozbít kontaminanty s vysokou molekulovou hmotností. Druhé čištění se provádí kyslíkovými formami vytvářenými v plazmě (O 2 + , O 2 - , O 3 , O, O + , O - , ionizovaný ozon, metastabilní excitovaný kyslík a volné elektrony). Tyto druhy reagují s organickými nečistotami za vzniku H 2 O, CO, CO 2 , a nižší uhlovodíky molekulové hmotnosti. Tyto sloučeniny mají relativně vysoké tlaky par a jsou během zpracování evakuovány z komory. Výsledný povrch je ultra čistý. Na obr. 2 je znázorněn relativní obsah uhlíku v hloubce materiálu před a po čištění pomocí excitovaného kyslíku [1] .
Pokud součást sestává ze snadno oxidovaných materiálů, jako je stříbro nebo měď, použije se místo toho inertní plyny, jako je argon nebo helium. Atomy a ionty aktivované plazmou se chovají jako molekulární pískování a mohou rozkládat organické kontaminanty. Tyto nečistoty se během zpracování odpařují a jsou evakuovány z komory.
Většinu těchto vedlejších produktů tvoří malá množství plynů, jako je oxid uhličitý a vodní pára se stopovým množstvím oxidu uhelnatého a jiných uhlovodíků.
To, zda je organické odstraňování úplné, lze posoudit měřením kontaktního úhlu . Pokud je přítomna organická kontaminace, je úhel kontaktu vody se zařízením vysoký. Odstranění nečistot snižuje kontaktní úhel na charakteristiku kontaktu s čistým substrátem. Kromě toho se XPS a AFM často používají k ověření aplikací čištění a sterilizace povrchů.
Pokud je povrch, který má být ošetřen, potažen vzorovanou vodivou vrstvou (kov, ITO ), mohlo by být ošetření přímým kontaktem s plazmou (schopné kontrakce na mikroarky) destruktivní. V tomto případě lze použít čištění neutrálními atomy excitovanými v plazmě do metastabilního stavu. Výsledky stejných aplikací na povrchy skleněných vzorků potažených vrstvami Cr a ITO jsou uvedeny na obr.
Po ošetření se kontaktní úhel vodní kapky zmenší a bude menší než jeho hodnota na neošetřeném povrchu. Na obr. 4 je ukázána relaxační křivka pro stopu kapiček pro vzorek skla. Fotografie stejné kapičky na neošetřeném povrchu je uvedena na vložce obr. 4. Doba relaxace povrchu odpovídající údajům zobrazeným na obr. 4 je přibližně 4 hodiny.
Plazmové spalování je proces, který využívá plazmové čištění pouze k odstranění uhlíku. Plazmové spalování se vždy provádí pomocí plynu O 2 .
Aplikace
K odstranění nečistot z povrchů před tím, než mohou být použity ve výrobním procesu, je často nutné plazmové čištění. Plazmové čištění lze aplikovat na řadu materiálů spolu s povrchy se složitými geometriemi. Čištění plazmou má schopnost účinně odstraňovat veškerou organickou kontaminaci z povrchů procesem chemické reakce (vzduchová plazma) nebo fyzikální ablace (Ar plazma / argonová plazma). Fotografie plazmového paprsku na neošetřeném kovovém povrchu je znázorněna na obr. 5 vložce.
Čištění a sterilizace
Čištění plazmou odstraňuje organické znečištění chemickou reakcí nebo fyzickou ablací uhlovodíků na ošetřené povrchy. Chemicky reaktivní procesní plyny (vzduch, kyslík) reagují s uhlovodíkovými monovrstvy za vzniku plynných produktů, které jsou smeteny kontinuálním tokem plynu v komoře plazmového čističe. Plazmové čištění lze použít namísto mokrých chemických procesů, jako je leptání piraně, které obsahuje nebezpečné chemikálie, zvyšuje nebezpečí kontaminace činidly a riziko leptání ošetřených povrchů.
- Odstranění samostatně sestavených monovrstev alkanethiolátů ze zlatých povrchů
- Zbytkové proteiny na biomedicínských zařízeních
- Čištění nanoelektrod
Humanitní vědy
Životaschopnost, funkce, proliferace a diferenciace buněk jsou určeny adhezí k jejich mikroprostředí. Plazma se často používá jako prostředek bez chemikálií pro přidání biologicky relevantních funkčních skupin (karbonyl, karboxyl, hydroxyl, amin atd.) Na povrchy materiálů. Výsledkem je, že čištění plazmou zlepšuje biokompatibilitu nebo bioaktivitu materiálu a odstraňuje kontaminující proteiny a mikroby. Plazmové čističe jsou obecným nástrojem v biologických vědách a používají se k aktivaci povrchů pro buněčnou kulturu , tkáňové inženýrství , implantáty a další.
- Substráty pro tkáňové inženýrství
- Buněčná adheze polyethylentereftalátu (PET)
- Vylepšená biokompatibilita implantátů: cévní štěpy, šrouby z nerezové oceli
- Dlouhodobé studie zadržování buněk
- Plazmová litografie pro vzorování substrátů buněčných kultur
- Třídění buněk podle síly adheze
- Odstranění antibiotika plazmatem aktivovanými ocelovými hoblinami
- Sekvenování jedné buňky
Věda o materiálech
Smáčení a modifikace povrchu je základním nástrojem ve vědě o materiálech pro zlepšení materiálových charakteristik bez ovlivnění objemových vlastností. Plazmové čištění se používá ke změně chemického složení povrchu materiálu zavedením polárních funkčních skupin. Zvýšená povrchová hydrofilnost (smáčení) po plazmové úpravě zlepšuje přilnavost k vodným nátěrům, lepidlům, inkoustům a epoxidům:
- Vylepšená tepelná síla grafenových filmů
- Vylepšení pracovních funkcí v polymerních polovodičových heterostrukturách
- Vylepšená adheze vláken Ultra-high modulus polyethylen (Spectra) a aramidových vláken
- Plazmová litografie pro povrchové struktury v nanoměřítku a kvantové tečky
- Micropatterning tenkých vrstev
Mikrofluidika
Unikátní vlastnosti toku tekutin v mikroskopickém nebo nanoměřítkovém měřítku využívají mikrofluidní zařízení pro širokou škálu výzkumných aplikací. Nejčastěji používaným materiálem pro prototypování mikrofluidních zařízení je polydimethylsiloxan (PDMS), pro jeho rychlý vývoj a nastavitelné vlastnosti materiálu. Plazmové čištění se používá k trvalému spojování PDMS mikrofluidních třísek se skleněnými sklíčky nebo deskami PDMS k vytvoření vodotěsných mikrokanálků.
- Separace krevní plazmy
- Sekvenování jednobuněčné RNA
- Elektroosmotické průtokové ventily
- Vzorec smáčivosti v mikrofluidních zařízeních
- Dlouhodobé zachování hydrofilnosti mikrofluidního zařízení
Solární články a fotovoltaika
Plazma byla použita ke zvýšení výkonu solárních článků a přeměny energie ve fotovoltaických zařízeních:
- Redukce oxidu molybdenu (MoO 3 ) zvyšuje hustotu zkratového proudu
- Upravte nanosety TiO2, abyste zlepšili generování vodíku
- Vylepšená vodivost PEDOT: PSS pro lepší účinnost v perovskitových solárních článcích bez ITO