fp_tema1a
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fisica del plasmaTRANSCRIPT
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Fsica del plasmaun mundo de nuevas aplicaciones
Grupo de Superficies, Intercaras y Lminas delgadas
Instituto de Ciencia de MaterialesCSIC-US
FAMN
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Resumen
Asignatura curso 2004-05 Descargas en gases: qu son? Ejemplos
La lmpara fluorescenteEl lser de He-NePECVD a:Si-H
Fenomenologa bsica de un plasma de descarga Algunas aplicaciones de los plasmas de descarga
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Asignatura curso 2004-05
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Aulas y horario: Sala de Juntas,
Tutoras: Mircoles y Jueves de 8:30 a 11:00, Martes de 8:30 a 11:00
Fechas de exmenes:
1a convocatoria el 27 / 06 / 05 Aula IV; 9 : 302a convocatoria el 09 / 09 / 05 Aula III; 9 : 30
12:30-13:3011:30-12:3011:30 13.30JuevesMircolesMartes
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Tema 1.- INTRODUCCIN A LA FSICA DE PLASMASConcepto de plasma. Introduccin histricaPlasma en diversas situaciones. reas ms importantesPlasma trmicos y no trmicos. Tecnologa de plasmaCuasineutralidad. Respuestas espacial y temporalPlasma ciencia y tecnologa. Plasma en Internetreas de investigacin, algunas clasificaciones
Tema 2.- PARMETROS DEL PLASMAClasificacin del plasma. Partculas y camposEscalas de tiempo y espacio en el plasmaEl parmetro del plasmaPlasma en equilibrio termodinmicoProcesos colisionales y radiativosRuptura del equilibrio. Balances propios e impropiosMagnetizacin
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Tema 3.- FORMACIN DE VAINAS. SONDAS DE LANGMUIRRuptura de la cuasineutralidad. Formacin de la vaina en plasmaDiodos de Plasma. Ley de ChildTeora lineal y no lineal de formacin de la vainaCriterio de Bohn. Vaina MatrixInteraccin de iones con superficies. El problema de la pared en los reactores de fusinSondas de Langmuir. Medida de la funcin de distribucin de energaOtras tcnicas de diagnosis
Tema 4.- PLASMA SIN COLISIONES. DERIVASEcuaciones de Maxwell. Teorema de Poyting. Plasma sin colisionesPartculas en campo electromagnticos. Campos uniformesCampos variables en el tiempoCampos inhomogneosEspejos magnticos. Confinamiento de los electrones. Sistema ECRCalentamiento magnetoelctrico
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Tema 5.- CINTICA DE PLASMA. COLISIN Y RADIACINFuncin de distribucin y ecuacin de BoltzmannMomentos de la ecuacin de BoltzmannIntegral de colisin. Choques atmicos y molecularesBalances de partcula y energa en el plasma
Tema 6.- PLASMA COMO FLUIDO. ELECTRNICA GASEOSAEspecies en la descarga gaseosaIntegrales de colisinEcuacin de continuidad. Modelos colisionales y radiativosEcuaciones de transporteModelo del electrn medioDescarga elctrica a baja presin
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Tema 7.- PLASMA COMO FLUIDO. DIFUSIN Y TRANSPORTEModelo de plasma como mezclaDifusin. Difusin ambipolarColumna positiva controlada por difusinEcuaciones de la magnetohidrodinmicaPlasma totalmente ionizado. ResistividadDifusin en plasmas totalmente ionizados
Tema 8.- FUENTES DE PLASMAPlasmas DC, columna positiva. Plasma CoronaPlasmas RF, modelo homogneo y no homogneo. Calentamiento estocstico.Plasma barreraPlasmas de microondas
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Tema 9.- TECNOLOGA DE MATERIALES CON PLASMAIntroduccinModificacin de superficies. Sputtering, Etching y DeposicinDeposicin de lminas delgadasDescontaminacin con plasma
Bibliografa
Francis F. Chen, Introduction to Plasma and Controlled Fusion, Plenum Press, N.Y. 1988J. Reece Roth, Industrial Plasma Engineering, Institute of Physics Publishing, Bristol,1995R.O. Dendy, Plasma Dynamics, Oxford Science Publications, 1990B. Held, Physique des plasmas froids, Masson, 1994V.E. Golant, A.P. Zhilinsky y I.E. Sakharov, Fundamentals of Plasma Physics, Wiley,N.Y., 1977R.J. Goldston y P.H. Rutherford, Introduction to Plasma Physics, Institute of PhysicsPublishing, Bristol, 1995
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Descargas en gases: qu son ?
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Descargas en gases: qu son ?
Laser de He-Ne
Aurora borealPlasma rf de argon para procesamiento de materiales
Tubos de neon
Relmpago
Lmpara de plasma de arcode alta intensidad
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E
P x dLey de Pashen
+ -E
Gas, presin PDistancia d entre electrodos
CREACIN DE UNPLASMA
DE DESCARGA
Descargas en gases: que son ?
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Plasma: el cuarto estado de la materia
Gas ionizadoIgual nmero de cargas positivas y negativasNvel de ionizacin afecta a sus propiedades elctricasSe estima que constituye el 99% de la materia del Universo
Imagen rayos X del Sol Sonda YohkohSoft-X telescope (STX)
Descargas en gases: qu son ?
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Dominio cientfico de Fsica del Plasma, Laseres y Fusin Nuclear
Plasmas de descargaBajas temperaturas
Bajas densidades
Descargas en gases: qu son ?
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Descargas (terrestres) naturales relmpagoDescargas en gases: qu son ?
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Descargas en gases: qu son ?
Laser de He-Ne
Plasma rf de argon para tratamiento de material
Tubos de neon
Lmpada de plasma de arcode alta intensidad
Descargas artificiales
Pantalla de plasma
Joint European Torus (JET)
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Ejemplos
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La lmpara fluorescente clsica Descarga en una mezcla gaseosa
- Hg (5-6 mTorr) radiacin UV- Ar (2-3 Torr) - gas inerte
Revestimento interno tipo fsforo
Temperatura electrnica: 1-2 eV(11 000 - 22 000 K)
Temperatura del gas: ~ 350 K Densidad electrnica: 1011 1012 cm-3
Produccin de fotones UV (transicin 2537 en Hg) ~ 55-60% potencia consumida
Conversin de fotones UV visble en el revestimiento de fsforo~ 85-90% (rend. cuntico) ; ~ 50% (rend. energtico)
Rendimiento total 25-30%
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10,43 - Ionizacin
E (eV)
Nveles de energa del Hg
2537 55-60%
1849 8-9%
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73S1
61P1
63P263P163P0
15,76 - IonizacinE (eV)
Nveles de energa del Ar
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3p54s
3p54d
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3p55p
3p53d
3p54p
3p55s
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La lmpara fluorescente clsica
Nmero de lmparas fluorescentes en el mundo (excluido ex-URSS y China) 2x109
Nmero de lmparas de arco de alta intensidad2x108
Potencia consumida si 1/3 de estas lmpadas estuvieran simultneamenteencendidas
(suponiendo lmparas 60 W) - 1011 W Potencia total radiada en el visble (30% rendimento)
3x1010 W
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El laser de He-Ne
Descarga en una mezcla gaseosa- He (~ 1 Torr) - Ne (~ 0.1 Torr)
Emisino laser 6328 (rojo) Potencia: 0.5 100 mW
Transferencia excitacinInversin de poblacinEmisin estimulada
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
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He* + Ne
He + Ne*
r
E
E (eV)
Nveles de energia de He y Ne
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2p53s17
2p55s
2p54p
2p54s23S1
21 21S0
2p53p
1S0 2p61S0
3.39 m
6328 1.15 m
rpida
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Lig. libres
electrn
SiH3
PECVD a:Si-HPlasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
Descarga capacitiva en una mezcla gaseosa- SiH4 (< 50%)- H2 (> 50%)
Presiones tpicas 300-1200 mTorr Excitacin rf a 13.56 MHz Tensin rf ~ 100 V (electrodo superior) Substrato a masa (electrodo inferior)
calentado entre 400-700 0C
Fragmentacin de la mezcla precursora por el plasmaTransporte de radicales hasta el substratoInteraccin plasma-superficie: depsito
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PECVD a:Si-H
He + H+H + He + H2+H2 + He + H3+SiH2+ + He + SiH3+SiH + He + SiH2+2e + SiH3e + SiH3-SiH3- + He + SiH42e + H+ + H2e + H2+e + H22e + SiH2+ + H22e + SiH3+ + He + SiH4
H3+ + HH2+ + H2SiH3+ + H2H+ + SiH4SiH3+ + H2 + HH2+ + SiH4SiH3+ + H2 + H2H3+ + SiH4SiH3+ + HSiH2+ + H2Si2H4+ + H2SiH2+ + SiH4SiH3+ + SiH3SiH2+ + SiH4SiH4H+ + SiH3-SiH3 + H2H2+ + SiH3-SiH4 + H2H3+ + SiH3-SiH2 + SiH3SiH2+ + SiH3-SiH3 + SiH3SiH3+ + SiH3-
Cintica de especies cargadas
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PECVD a:Si-HCintica de especies neutras
Si + SiH4 H2 + Si2H3SiH + SiH4 H2 + Si2H3SiH2 + SiH4 Si2H6SiH2 + Si2H6 Si3H8SiH3 + SiH3 SiH2 + SiH4SiH3 + Si2H6 SiH4 + Si2H5
H + SiH4 H2 + SiH3H + SiH3 H2 + SiH2H + SiH2 H2 + SiHH + Si2H6 SiH3 + SiH4
H2 + Si2H5H + SiH H2 + SiH + Si3H8 Si2H5 + SiH4H2 + SiH2 SiH4
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PECVD a:Si-HPerfil espacio-temporal del campo elctrico
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PECVD a:Si-HPerfiles de densidad y energa electrnica en el reactor
1.63.2
4.86.4
0.00
0.04
0.08
0.12
0.00.8
1.62.4
3.2
n e (1
010 c
m-3)
z (cm)r (cm)
1.63.2
4.86.4
0
5
10
15
20
25
0.00.8
1.62.4
3.2
() (
eV)
r (cm)
z (cm)
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Fenomenologa de unplasma de descarga
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Plasma activoA, A2, A*, A2*
A+, A, e
Fuentes de ionizacin (dc/rf/hf; cw/pw)Creacin de campos de mantenimientoE/N vs. pR (dados ne en funcin de I)
Cintica y transporte de partculas cargadasCreacin de campos electrostticos
Cintica y transporte de especies neutrasMecanismos colisionales-radiativos
Interaccin plasma-onda Anlisis microscpico de la cintica electrnicaObtencin de la FDEE y parmetros de transporte
Anlisis microscpico de la cintica vibracional
Obtencin de la FDV
Interaccin plasma-superficie
Depsito, grabado, cintica superficial
Interaccinradiacin-materia
Transporte radiativo
Fenomenologa de un plasma de descarga
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Algunas aplicaciones de los
plasmas de descarga
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Aplicaciones de los plasmas de descargaIluminacin Laseres
Lmpara de plasma de arcode alta intensidad
Lmpada ICP de Ar-Hg
Laser de He-Ne
Laser IR de CO (ar+N2+He)
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Aplicaciones de los plasmas de descargaTratamiento de superficies
Nitruracin de metales
Procesamiento con descargas corona
de plsticos
Grabado por ICP95% Ar + 5% Cl2
Implantacin inicaen lentes
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Aplicaciones de los plasmas de descarga
Crecimiento de cermicasmetales o compuestos
Depsito de materiales
PECVD
Fibras CH4 en un electrodo metlico
Spray porplasma de arco
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Aplicaciones de los plasmas de descarga
Nanotubos de carbono (paredes simples)producidos por un plasma de CO
pticamente excitado por laser
Crecimiento de materiales
Cristales de diamanteproducidos por un plasma de CO-CH4
pticamente excitado por laser
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Aplicaciones de los plasmas de descargaAnlisis qumico
Ablacin por laser Nd-Yag - LIPSAntorcha ICP de plasma atmosfrico
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Aplicaciones de los plasmas de descargaTratamiento de residuos
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Aplicaciones de los plasmas de descargaEsterilizacin con plasma
Experiencia de plasma para eliminacin de priones: partculas proteicas muy patgenas responsables, por ejemplo, de las encefalopatias espongiformes (vaca loca, enfermedad de Creutzfeldt-Jakob)
Sistema de esterilizacin con plasma de perxido de hidrgeno de baja temperatura
utilizado en la esterilizacin rpida (55 min) de instrumentos quirrgicos en salas de operaciones
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Pantallas deplasma
Propulsoresa plasmaMotores inicos
Mini-ICP(f y p elevadas)
Aplicaciones de los plasmas de descarga
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Estudios fundamentales
Descarga DC de 10 mTorren xenon
Descarga DC con estras en vapor de agua
Confinamiento multipolar De una descarga de argon
a baja presin
Aplicaciones de los plasmas de descarga
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Entretenimiento
Aplicaciones de los plasmas de descarga
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y adems
Separacin de istoposFuentes de partculasConversin de energaInterruptoresAplicaciones ambientales
(descontaminacin de aire y agua; regeneracin atmosfrica)
Aplicaciones de los plasmas de descarga