Plasmarengöring
Plasmarengöring är borttagning av föroreningar och föroreningar från ytor genom användning av en energisk plasma eller dielektrisk barriärurladdningsplasma ( DBD) skapad från gasformiga arter. Gaser som argon och syre , samt blandningar som luft och väte/kväve används. Plasman skapas genom att använda högfrekventa spänningar (typiskt kHz till >MHz) för att jonisera lågtrycksgasen (vanligtvis runt 1/1000 atmosfärstryck), även om atmosfärstryckplasma nu också är vanliga.
Metoder
I plasma exciteras gasatomer till högre energitillstånd och joniseras även. När atomerna och molekylerna "slappnar av" till sina normala, lägre energitillstånd frigör de en foton av ljus, vilket resulterar i det karakteristiska "glöd" eller ljus som är förknippat med plasma. Olika gaser ger olika färger. Till exempel avger syreplasma en ljusblå färg.
En plasmas aktiverade arter inkluderar atomer , molekyler , joner , elektroner , fria radikaler , metastabila ämnen och fotoner i det kortvågiga ultravioletta (vakuum UV, eller VUV för kort) räckvidd. Denna blandning interagerar sedan med vilken yta som helst som placeras i plasman.
Om gasen som används är syre är plasman en effektiv, ekonomisk och miljösäker metod för kritisk rengöring. VUV-energin är mycket effektiv för att bryta de flesta organiska bindningar (dvs. C–H, C–C, C=C, C–O och C–N) av ytföroreningar. Detta hjälper till att bryta isär högmolekylära föroreningar. En andra rengöringsåtgärd utförs av de syreämnen som skapas i plasman (O 2 + , O 2 − , O 3 , O, O + , O − , joniserat ozon, metastabilt exciterat syre och fria elektroner). Dessa arter reagerar med organiska föroreningar och bildar H 2 O, CO, CO 2 och kolväten med lägre molekylvikt. Dessa föreningar har relativt höga ångtryck och evakueras från kammaren under bearbetningen. Den resulterande ytan är ultraren. I fig. 2 visas en relativ halt av kol över materialdjup före och efter rengöring med exciterat syre [ 1] .
Om delen består av lättoxiderade material som silver eller koppar används istället inerta gaser som argon eller helium vid behandlingen. Plasmaaktiverade atomer och joner beter sig som en molekylär sandblästring och kan bryta ner organiska föroreningar. Dessa föroreningar förångas under bearbetningen och evakueras från kammaren.
De flesta av dessa biprodukter är små mängder gaser, såsom koldioxid och vattenånga med spårmängder av kolmonoxid och andra kolväten.
Huruvida det organiska borttaget är fullständigt eller inte kan bedömas med kontaktvinkelmätningar . När en organisk förorening är närvarande kontaktvinkeln mellan vatten och enheten hög. Avlägsnande av föroreningar minskar kontaktvinkeln till den som är karakteristisk för kontakt med det rena substratet. Dessutom används XPS och AFM ofta för att validera ytrengöring och steriliseringsapplikationer.
Om en yta som ska behandlas är belagd med ett mönstrat ledande skikt (metall, ITO ), kan behandling genom direktkontakt med plasma (som kan dras samman till mikrobågar) vara destruktiv. I detta fall kan rengöring med neutrala atomer exciterade i plasma till metastabilt tillstånd tillämpas. Resultat av samma applikationer på ytor av glasprover belagda med Cr- och ITO -skikt visas i Fig. 3.
Efter behandling minskas kontaktvinkeln för en vattendroppe och blir mindre än dess värde på den obehandlade ytan. I fig. 4 visas relaxationskurvan för droppavtryck för glasprov. Ett fotografi av samma droppe på den obehandlade ytan visas i figur 4 infälld. Ytrelaxationstid motsvarande ett data som visas i fig. 4 är cirka 4 timmar.
Plasmaaskning är en process som använder plasmarening enbart för att avlägsna kol. Plasmaaskning görs alltid med O 2 -gas.
Ansökningar
Rengöring & Sterilisering
Plasmarengöring tar bort organisk kontaminering genom kemisk reaktion eller fysisk ablation av kolväten på behandlade ytor. Kemiskt reaktiva processgaser (luft, syre) reagerar med kolvätemonoskikt för att bilda gasformiga produkter som sveps bort av det kontinuerliga gasflödet i plasmarenarkammaren. Plasmarengöring kan användas i stället för våtkemiska processer, såsom piranhaetsning, som innehåller farliga kemikalier, ökar risken för reagenskontamination och riskerar att etsa behandlade ytor.
- Borttagning av självmonterade monolager av alkantiolater från guldytor
- Resterande proteiner på biomedicinska apparater
- Nanoelektrodrengöring
Biovetenskap
Cellviabilitet, funktion, proliferation och differentiering bestäms av vidhäftning till deras mikromiljö. Plasma används ofta som ett kemiskt fritt sätt att lägga till biologiskt relevanta funktionella grupper (karbonyl, karboxyl, hydroxyl, amin, etc) till materialytor. Som ett resultat förbättrar plasmarengöring material biokompatibilitet eller bioaktivitet och tar bort kontaminerande proteiner och mikrober. Plasmarengörare är ett allmänt verktyg inom biovetenskap, som används för att aktivera ytor för cellodling , vävnadsteknik , implantat och mer.
- Tissue Engineering Substrat
- Polyetylentereftalat (PET) cellvidhäftning
- Förbättrad biokompatibilitet för implantat: vaskulära transplantat, skruvar i rostfritt stål
- Långtidsstudier av cellinneslutning
- Plasmalitografi för mönstring av cellkultursubstrat
- Cellsortering efter vidhäftningsstyrka
- Antibiotikaborttagning genom plasmaaktiverade stålspån
- Enkelcellssekvensering
Materialvetenskap
Ytvätning och modifiering är ett grundläggande verktyg inom materialvetenskap för att förbättra materialegenskaper utan att påverka bulkegenskaper. Plasmarengöring används för att förändra materialets ytkemi genom införandet av polära funktionella grupper. Ökad ythydrofilicitet (vätning) efter plasmabehandling förbättrar vidhäftningen med vattenhaltiga beläggningar, lim, bläck och epoxi:
- Förbättrad termokraft för grafenfilmer
- Arbetsfunktionsförbättring i polymerhalvledarheterostrukturer
- Förbättrad vidhäftning av polyetenfibrer med ultrahög modul (Spectra) och aramidfibrer
- Plasmalitografi för nanoskala ytstrukturer och kvantprickar
- Mikromönster av tunna filmer
Mikrofluidik
De unika egenskaperna hos vätskeflödet i mikro- eller nanoskala utnyttjas av mikrofluidiska enheter för en mängd olika forskningsapplikationer. Det mest använda materialet för prototypframställning av mikrofluidenheter är polydimetylsiloxan (PDMS), för dess snabba utveckling och justerbara materialegenskaper. Plasmarengöring används för att permanent binda PDMS Microfluidic chips med glasskiva eller PDMS plattor för att skapa vattentäta mikrokanaler.
- Blodplasmaseparation
- Enkelcells RNA-sekvensering
- Elektroosmotiska flödesventiler
- Vätbarhetsmönster i mikrofluidiska enheter
- Långvarigt bibehållande av mikrofluidisk anordnings hydrofilicitet
Solceller och solceller
Plasma har använts för att förbättra prestandan hos solceller och energiomvandling inom solceller:
- Minskning av molybdenoxid (MoO 3 ) förbättrar kortslutningsströmtätheten
- Ändra TiO 2 Nanosheets för att förbättra vätegenereringen
- Förbättrad ledningsförmåga hos PEDOT:PSS för bättre effektivitet i ITO-fria perovskitsolceller