مقدمه ای بر پلاسما

 

پلاسما به بیان ساده یک گاز یونیزه شده است ( حالت چهارم ماده). در بیشتر کاربردهای عملی منظور آن است که کسری از اتمها در یک گاز یونیزه میشوند و این یون ها، الکترونها و اتمهای خنثای گاز به اتفاق هم در یک اتاقک به سر می برند.
دو طبقه بندی کلی برای چگونگی کاربرد پلاسما وجود دارد. اولی شامل استفاده از یونهای موجود در پلاسما میباشد، بدین ترتیب که بوسیله یک میدان الکتریکی، یونها را از لبه پلاسما شتاب میدهند. اگر سطحی را در معرض بمباران این یونها قرار دهیم، میتوان از انرژی آنها در فرسایش فیزیکی سطح و کاشت یون در آن استفاده نمود. دومین کاربرد کلی پلاسما عبارت است از تولید ذرات پرانرژی یا شبه پایدار در گاز از قبیل حالتهای برانگیخته اتمها و یونها، ملکولهایی که از نظر شیمیایی فعال هستند. حضور این گونه های ذرات شبه پایدار و پرانرژی باعث بروز پدیده های سطحی مختلف از قبیل(حکاکی حاصل از واکنش) یا نشست  می شوند، که البته بدون حضور پلاسما و تنها بوسیله حرارت چنین پدیده ای اتفاق نمی افتد.

اغلب پلاسما را یک گاز نیمه خنثی توصیف می کنند، چرا که تعداد الکترون ها و یون های موجود در آن تقریباً مساوی می باشد. این وضعیت می تواند در داخل پلاسما به مقدار کم و در لبه پلاسما تا حد  زیادی مختل شود. پلاسما رسانایی است که مقاومت الکتریکی نسبتاً پایینی دارد. بنابراین در هر ناحیه ای که توازن بار مختل شود به سرعت با جابجایی بار توازن مجدداً برقرار شده در نتیجه پتانسیل در داخل پلاسما نسبتاً ثابت باقی خواهد ماند. الکترون ها عامل اصلی هدایت در پلاسماهای فرآیند می باشند. چون جرم الکترون ها بسیار کم است، بسیار سریعتر از یون های سنگین به میدان الکتریکی پاسخ می دهند. در بیشتر محاسباتی که با پلاسما سروکار داریم چنین فرض می شود که یون ها در واقع بی حرکتند و سپس تنها بروی الکترون ها بحث می کنیم. البته در روش های مختلف فیلم نازک، یون ها اغلب گونه های جالبی هستند. از این رو در واقع تا اندازه ای آزادی حرکت دارند.

 در بیشتر پلاسماهای فرآیند به دلیل پایین بودن کسر یونیزاسیون اتم ها و یون ها فوراً انرژی که کسب کرده اند را از دست داده، به حالت زمینه گونه های خنثی باز می گردند. در یک پلاسما با کسر یونیزاسیون 10 به توان منفی چهار، به ازای هر یون 10000 اتم سرد در گاز وجود دارد. یون در اثر برخوردهای متعدد با این اتم ها مجدداً به دمای اولیه گازی می رسد. این دما، از دمای اتاق تا چندصد درجه سلسیوس تغییر می کند. انرژی موردنیاز برای شکستن پیوندهای شیمیایی و یا برانگیختن گونه های اتمی یا ملکولی به حالت های مختلف بین 1/0 تا 2 الکترون ولت است. توزیع انرژی الکترون نیز در این محدوده می باشد. بنابراین شگفت آور نیست که در این سیستم های تخلیه تابان، شاهد درجه فعالیت شیمیایی بالایی، هم در فاز گاز و هم بر روی سطوحی که با پلاسما در تماسند باشیم. نتیجه حاصل از این فعالیت شیمیایی می تواند سبب نشست روی این سطوح و یا حکاکی آن ها از طریق واکنش شود. در حقیقت حکاکی حاصل از واکنش و نشست حاصل از واکنش فرآیندهای مشابهی هستند که تفاوت آن ها بیشتر در فشار بخار گونه های تولید شده است.
از پلاسماها می توان برای ایجاد پراکنش یا به عبارتی برای ایجاد خوردگی(مکانیکی) روی سطح کاتد و نشست لایه روی سطح نمونه های مجاور آن استفاده نمود. اگر گونه ای فعال از یک گاز به پلاسما اضافه شود در نتیجه حضور پلاسما و بمباران پرانرژی، لایه های مرکبی تشکیل می شود. اگر محصول این گونه های واکنشی، در دمای اتاق قابل تبخیر(فرار) باشد، در نتیجه خوردگی سطح را خواهیم داشت. این فرآیند به خوردگی واکنشی(حکاکی واکنشی) معروف است.
 

توسط: الناز احمدی گل تپه ئی

مراجع:

F.Chen, in Introduction to plasma physics.  Plenum Press. New York -1974