Ứng dụng Plasma nhiệt độ thấp trong Vật lý ứng dụng: Bài thuyết trình chi tiết

Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên

Khoa Vật Lý

Bộ Môn Vật Lý Ứng Dụng

ỨNG DỤNG CỦA PLASMA NHIỆT ĐỘ THẤP

CBHD:

PGS. TS Lê Văn Hiếu

HVTH:

Nguyễn Văn Thọ

Tô Lâm Viễn Khoa

Nguyễn Đỗ Minh Quân

Phạm Văn Thịnh

Lê Khắc Tốp

ĐỊNH NGHĨA PLASMA

Plasma là một khí chuẩn (giả) trung hòa về điện, trong đó bao gồm các hạt mang điện, kể cả các hạt trung hòa, các hạt này mang tính tập hợp. Các điều kiện tồn tại plasma. + Giả trung hòa về điện

Z n  , e i

e i ,



+ Bán kính Debeye phải nhiều lần nhỏ hơn kích thước của miền chứa tập hợp.

D << L

PHÂN LOẠI

• Plasma nhiệt độ thấp có nhiệt độ trong khoảng 3000-70000K, thường được sử dụng trong đèn huỳnh quang, ống phóng điện tử, tivi plasma…

• Plasma nhiệt độ cao có nhiệt độ lớn hơn 70000K, thường gặp ở mặt trời và các ngôi sao, trong phản ứng nhiệt hạch…

TÍNH CHẤT CỦA PLASMA

• Hoạt tính hóa học cao → dùng để thay đổi tính chất

bề mặt mà không ảnh hưởng đến vật liệu khối; có thể trở thành môi trường phát Laser khí.

• Dẫn điện → có thể điều khiển nhiệt độ plasma bằng

trường điện từ.

• Năng lượng cao và nhiệt độ cao → dùng trong các

quá trình xử lí cơ khí (hàn, cắt, v.v...)

• Bức xạ điện từ → dùng làm nguồn sáng, màn hình

Plasma.

ĐÈN HUỲNH QUANG

• GIỚI THIỆU

• CƠ SỞ LÝ THUYẾT

• CẤU TẠO

• HOẠT ĐỘNG

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

• HIỆU ỨNG PENNING

• ĐỊNH LUẬT PASEN

• SỰ VA CHẠM

• SỰ KÍCH THÍCH VÀ ION HÓA

• SỰ TÁI HỢP

HIỆU ỨNG PENNING

Hiệu ứng Penning là ion hóa nguyên tử, phân tử khí tạp chất do va chạm loại 2 với nguyên tử siêu bền khí cơ bản

HIỆU ỨNG PENNING

Ví dụ cho 0,1% Ar vào khí phóng điện Ne tinh khiết có catoth bằng kim loại Mo, thì thế cháy của nó sẽ giảm từ 115 V Xuống 85 V

Trong phóng điện Ne tinh khiết, tác dụng của nguyên tử siêu bền xuất hiện trong phản ứng.

Ne* + Ne* Ne+ + Ne + e

Nếu cho một khí Ar vào, thì nguyên tử siêu bền Ne* bắt đầu ion hóa do va chạm loại 2 với nguyên tử Ar theo phản ứng:

Ne* + Ar Ne + Ar+ + e

ĐỊNH LUẬT PASEN

Dưới tác dụng của điện trường mạnh, một điện tử thoát ra từ catôt sau khi đi được quãng đường d, ion hóa chất khí do đó ta có số ion được sinh ra là:

1de 

ĐỊNH LUẬT PASEN

Các ion sinh ra chuyển động về catôt làm phát xạ

điện tử thứ cấp 

1de  với là số điện tử phát xạ từ bề mặt kim loại.

1de 

Các điện tử này tiếp tục chuyển động đến Anôt và làm ion hóa chât khí và lại tiếp tục sinh ra ion đập vào catôt và sẽ có điện tử thứ cấp được sinh ra

2  1de

ĐỊNH LUẬT PASEN

Quá trình cứ tiếp tục ta được



 d e  d  ( e



Từ đó, ta được mật độ dòng anôt là:





 d e  d  ( e



ĐỊNH LUẬT PASEN

Khi tăng thế giữa hai điện cực thì sẽ tăng nhanh và

1de



tiến đến 1 -> không cần tác động bên ngoài, phóng điện vẫn tồn tại được.

ĐỊNH LUẬT PASEN



Đa số trong các trường hợp << 1, nên điều kiện mồi phóng điện có thể viết là



 d  e

 1

 d  e



Với :

 

);



E m

E p

V m d

  

   ( ; 

pdf

V m pd

  

  





 (

1 V m ) pd

Thế mồi phóng điện không phụ thuộc vào p, d riêng biệt mà phụ thuộc vào tích pd

ĐỊNH LUẬT PASEN

Các phương pháp làm giảm thế mồi Vm

1.Dùng kim loại có công thoát nhỏ làm cathode

2. Dùng hỗn hợp khí Penning

3. Nhờ nguồn tác động bên ngoài: tăng khả năng phát xạ điện tử và gây ion hóa mạnh ( ví dụ: đốt nóng cathode, chiếu bức xạ có bước sóng ngắn..)

SỰ VA CHẠM

• VA CHẠM ĐÀN HỒI

• VA CHẠM KHÔNG ĐÀN HỒI

VA CHẠM ĐÀN HỒI

Va chạm đàn hồi: là loại va chạm không làm biến đổi tính chất của hạt. Va chạm đàn hồi giữa electron với phân tử hay nguyên tử là loại va chạm thường gặp nhất. Theo thực nghiệm thì khi năng lượng electron vượt quá vài eV thì tiết diện tán xạ đàn hồi giảm khi tăng vận tốc hạt.

VA CHẠM KHÔNG ĐÀN HỒI Va chạm không đàn hồi: là loại va chạm làm biến

đổi tính chất của hạt như kích thích, phản ứng hóa học, ion hóa,…

Sự chuyển điện tích là sự truyền điện tích từ ion

chuyển động nhanh cho các nguyên tử hay phân tử đang chuyển động chậm. Nguyên tử hay phân tử khi mất một electron trở thành ion chậm An+ + M → A(n-1)+ + M+ An+: ion nhanh có n điện tích M: nguyên tử hay phân tử khí A(n-1)+: ion chậm có (n-1) điện tích Quá trình này có một ý nghĩa là ion có năng lượng cao có thể biến thành nguyên tử trung hòa và ion có năng lượng thấp hình thành trong plasma.

SỰ KÍCH THÍCH VÀ ION HÓA

Hai quá trình kích thích và ion hóa có thể kết hợp tùy ý và có thể

xảy ra các phản ứng sau đây: e + A → A+ + e + e e + M → M+ + e + e e + A → A* + e A+ + A → A+ + A+ + e A + A → A+ + A +e

Với:

e: electron A: nguyên tử A+: ion một điện tích M: phân tử A*: Nguyên tử kích thích

SỰ TÁI HỢP

Sự tái hợp là quá trình kết hợp giữa ion với electron hay giữa các ion trái dấu để trở thành nguyên tử hay phân tử trung hòa. Đây là nguyên nhân làm giảm các hạt mang điện trong plasma. Tái hợp ion đóng vai trò quan trọng trong môi trường áp suất lớn.

CẤU TẠO

• ỐNG PHÓNG ĐIỆN

• HAI ĐIỆN CỰC

• Starter (“Con chuột”)

• Ballast (Chấn lưu hay Tăng phô):

CẤU TẠO

Con chuôt

Công tắc

Nguồn phát electron

Lớp phốtpho

Dây dẫn

Ống thủy tinh

Cuộn dây

Nguồn phát electron

Khối plasma

ỐNG PHÓNG ĐIỆN

• Ống phóng điện: là một ống thủy tinh dài

(10cm-120cm), bên trong ống được bơm khí trơ Argon và một lượng thủy ngân thích hợp. Trên thành ống có phủ một lớp huỳnh quang (hợp chất phosphor)

HAI ĐIỆN CỰC

Bên trong của một đèn hùynh quang

Chân cắm

Ống thủy tinh

Nguồn phát electron

Khí Ar

Lớp photpho

Thủy ngân

Starter (“Con chuột”)

• cấu tạo gồm một cặp điện cực và một tụ điện. Cặp

điện cực được đặt trong một ống thủy tinh bơm đầy khí neon. Cặp điện cực và tụ điện được mắc song song với nhau, hai dây nối được nối ra ngoài với hai nút kim loại. Cả ống thủy tinh và tụ điện đều được đặt trong một hộp nhựa hình trụ.

Ballast (Chấn lưu hay Tăng phô):

• một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt có thiết kế đặc

biệt

HOẠT ĐỘNG

• QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG

• QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN

QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG

Hoạt động của Stater

Khi hiện tượng phóng điện trong ống xảy ra.

Lúc đầu chưa có hiện tượng phóng điện trong ống

Khi nhiệt độ ở hai bản cực nóng lên, nó sẽ giãn ra và dính vào nhau.

QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN

Khi ta áp một điện thế vào 2 cực của một bóng đèn, phần khí bên trong ống sẽ bị ion hóa. Sau khi bị ion hóa, các ion dương sẽ chuyển về hướng cathode, các electron di chuyển về phía Anode. Đối với nguồn xoay chiều thì các ion đổi hướng sau nửa chu kì.

 E

Hg  E

Ar Hg

HgHg

Tái hợp

QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN

Các electron trong quá trình chuyển động sẽ va chạm với các nguyên tử Hg, Ar tạo ra các ion

 E

Hg  E

Ar Hg

HgHg

Tái hợp

LASER KHÍ

•Laser khí là loại ánh sáng laser sinh ra với tác nhân là ion, phân tử chất khí và các điện tử. •Tác nhân của laser khí thường ở dạng plasma: chuẩn trung hòa, mật độ hạt mang điện lớn.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

BƠM KÍCH THÍCH

TÁC NHÂN

ion phân tử chất khí, điện tử

LASER

LASER KHÍ He-Ne

Là một trong những laser khí được phát minh ra đầu tiên. Phát ra ánh sáng laser màu đỏ có bước sóng 632,8 nm. Công suất phát sáng từ 1 - 10 mW. Chi phí rẻ, dễ chế tạo, được sử dụng phổ biến.

Cơ sở: Va chạm không đàn hồi cộng hưởng loại 2 • Là va chạm trong đó thế năng của hạt trong trạng thái kích thích được chuyển cho hạt khác dưới dạng động năng hoặc thế năng.

• Phương trình: A + B* --> A* + B +

ΔE

A B

Nguyên lý hoạt động

e- kích thích

He*

He

Ne

(mật độ lớn)

Ne

Ne*

LASER

Nguyên lý hoạt động

e- + He --> He* + e- He* + Ne --> He + Ne*

3 bước sóng phát ra:

638 nm (đỏ) 1150 nm (hồng ngoại) 3391 nm (hồng ngoại)

Sơ đồ

e-

He

Ne

Sơ đồ thực tế

Thông số sử dụng

• Áp suất trong lòng: xấp xỉ 3,4 đến 4 Torr. • Hiệu điện thế 2 đầu: 220 V - 10 kV gây ra

dòng điện khoảng vài mA.

• Nhiệt độ trong lúc hoạt động: -25 đến 800C. • Công suất tiêu thụ: 20 mW để sinh ra 1 mW

laser.

• Nồng độ He-Ne: từ 5:1 đến 20:1

Ứng dụng

• Định hướng và xác định vị trí. • Đọc mã vạch • Ghi đĩa CD • Y học • Trình diễn

CÁC LOẠI LASER KHÍ KHÁC

• Laser He-Cd: sử dụng tác nhân là

nguyên tử He pha tạp với Cd.

• Laser phân tử CO2: sử dụng tác nhân là các phân tử khí CO2 pha tạp với H2 và N2.

• ...

ỨNG DỤNG CỦA PLASMA NHIỆT ĐỘ THẤP

PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO HÌNH ẢNH CỦA CÁC LOẠI MÀN HÌNH

Sơ lược lịch sử phát triển

Cấu tạo của màn hình plasma

Màn hình Plasma

Nguyên tắc hoạt động của màn hình plasma

Ưu nhược điểm

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÀN HÌNH PLASMA

Màn hình plasma được Slottow và Bitzer công bố vào năm 1964.

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÀN HÌNH PLASMA

Năm 1967: Tấm nền plasma do kỹ sư Don Bitzer và Gene Slottow tại Đại học Illinois phát triển đã được trao giải Industrial Research 100 - giải thưởng tôn vinh những phát minh quan trọng nhất của năm

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÀN HÌNH PLASMA

Năm 1986; Weber giới thiệu mạch duy trì năng lượng mà ông phát triển tại Đại học Illinois. Mạch này vẫn được đưa vào màn hình màu hiện nay 48

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÀN HÌNH PLASMA

Hãng AT&T (Mỹ) góp công lớn trong việc cải tiến màn hình plasma. Họ sản xuất màn hình 3 điện cực đầu tiên và công nghệ này được áp dụng cho tất cả các sản phẩm plasma hiện nay.

CẤU TẠO MÀN HÌNH PLASMA

Các ô phóng điện

Điện cực địa chỉ

CẤU TẠO MÀN HÌNH PLASMA

cấu trúc thành song song

cấu trúc thành WAFFLE

cấu trúc thành Delta

cấu trúc thành ô chữ thập

CẤU TẠO MÀN HÌNH PLASMA

Các ô phóng điện

Điện cực địa chỉ

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÀN HÌNH PLASMA

 Quá trình phát sáng của một ô

 Cách điều khiển quá trình phát sáng của

một ô

QUÁ TRÌNH PHÁT SÁNG CỦA MỘT Ô

Quá trình phát ra tia UV của Xenon

e + Xe → e + e+ Xe+ e + Xe → e + Xe** e + Xe → e + Xe*(3P1,3P2) Xe** → Xe*(3P1,3P2) + hν (823 nm)

Ion hóa

Kích thích

Xe+

Kích thích

Xe**

+ e

+ + Xe + + Ne

+ Ne, Xe

Xe+ + Xe + Xe → Xe2 Xe+ + Xe + Ne → Xe2

Va chạm 3 hạt

Xe(3P2)

Tái hợp phân ly + e

Xe*

+ Xe2

+ + e → Xe** + Xe

Tái hợp phân ly

Xe(3P1)

+ Ne, Xe

+ + e → Xe*(3P1,3P2) + Xe

Xe2 Xe2

Va chạm 3 hạt

hν 147 nm

Xe*2*

Xe* + 2Xe → Xe2* + Xe Xe* + Xe + Ne → Xe2* + Ne

hν 150 nm 173 nm

Xe2* → 2Xe + hν (150 nm, 173 nm)

Xe*(3P1) → Xe + hν (147 nm)

Quá trình phát ra tia UV của Xenon

Cường độ tia UV phát ra theo thời gian của hỗn hợp khí Xe(10%) - Ne

Màu của một điểm ảnh

BaMgAl10O17: Eu2+: (BAM) cho màu xanh dương Zn2SiO4: Mn2+: cho màu xanh lục (YGd)BO3:Eu3+ và Y2O3: Eu3+ : cho màu đỏ. =>Sự tổng hợp ba màu này với cường độ khác nhau sẽ cho ta màu sắc cần hiển thị

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHÁT SÁNG CỦA MỘT Ô

ACM (2 điện cực)

Hai cấu trúc

ACC (3 điện cực)

mỗi ô phóng điện được xác định bằng 2 điện cực

Mỗi ô phóng điện được xác định bằng 3 điện cực

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHÁT SÁNG CỦA MỘT Ô

ACM (2 điện cực)

Hai cấu trúc

ACC (3 điện cực)

Xung viết (writing pulses)

Xung duy trì (sustaining pulses)

Quá trình điều khiển

Xung xóa (erasing pulses)

Điện thế duy trì và điện thế đánh thủng của hỗn hợp khí Xe-Ne

ACC

Đối với cấu trúc ACC

2. Phóng điện viết

3. Sau phóng điện viết

1. Trạng thái ban đầu

+ +

+ + - - Phóng điện + + -

4. Phóng điện duy trì lần 1

5. Phóng điện duy trì lần 2 6. Phóng điện xóa

ƯU ĐIỂM CỦA MÀN HÌNH PLASMA

LIGHT

LARGE SIZE

THIN

WIDE VIEW ANGLE

GOOD UNIFORMITY

NON-DISTORTION WITH MAG. FIELD

NHƯỢC ĐIỂM CỦA MÀN HÌNH PLASMA

Tương đối nặng so với LCD Không có nhiều kích cỡ Không hoạt động tốt khi lên quá cao Tuối thọ ngắn hơn LCD (khoảng 30000 giờ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

MÔN : VẬT LÝ PLASMA

PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON TRONG CHẾ TẠO MÀNG MỎNG

GVHD : PGS. TS. Lê Văn Hiếu HVTH : Phạm Văn Thịnh

I. Khái niệm về phún xạ

Đế

Ar+

BIA

Phún xạ(Sputtering) là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên truyền lý động năng bằng cách dùng các iôn khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử này bay về phía đế và lắng đọng trên đế.

6767

Bản chất quá trình phún xạ - Quá trình phún xạ là quá trình truyền

động năng.

II. CÁC LOẠI PHÚN XẠ

• 1. Phún xạ phóng điện một chiều (DC

discharge sputtering)

• 2. Phún xạ phóng điện xoay chiều (RF

discharge sputtering) • 3. Phún xạ magnetron • 4. Các cấu hình phún xạ khác

1. Phún xạ phóng điện một chiều (DC discharge sputtering)

• Là kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện thế một chiều để gia tốc cho các iôn khí hiếm. • Bia vật liệu (tuỳ thuộc vào thiết bị mà diện tích của bia nằm trong khoảng từ 10 đến trên trăm centimet vuông) được đặt vài điện cực âm (catốt) trong chuông chân không được hút chân không cao, sau đó nạp đầy bởi khí hiếm (thường là Ar hoặc He...) với áp suất thấp (cỡ 10-2 mbar)

Sơ đồ hệ phóng điện cao áp một chiều (DC-sputter)

2. Phún xạ phóng điện xoay chiều (RF discharge sputtering)

• Là kỹ thuật sử dụng hiệu điện thế xoay chiều để gia tốc cho iôn khí hiếm. Nó vẫn có cấu tạo chung của các hệ phún xạ, tuy nhiên máy phát là một máy phát cao tần sử dụng dòng điện tần số sóng vô tuyến (thường là 13,56 MHz).

• Vì dòng điện là xoay chiều, nên nó có thể sử dụng cho các bia vật liệu không dẫn điện.

Sơ đồ hệ phóng điện cao tần có tụ chặn làm tăng hiệu suất bắn phá ion.

3. Phún xạ magnetron • Là kỹ thuật phún xạ (sử dụng cả với xoay chiều và một chiều) cải tiến từ các hệ phún xạ thông dụng bằng cách đặt bên dưới bia các nam châm.

• Từ trường của nam châm có tác dụng bẫy các điện tử và iôn lại gần bia và tăng hiệu ứng iôn hóa, tăng số lần va chạm giữa các iôn, điện tử với các nguyên tử khí tại bề mặt bia do đó làm tăng tốc độ lắng đọng, giảm sự bắn phá của điện tử và iôn trên bề mặt màng, giảm nhiệt độ đế và có thể tạo ra sự phóng điện ở áp suất thấp hơn.

4. Các cấu hình phún xạ khác

• Phún xạ chùm ion : nguồn ion được thiết

kế tách hẳn ra khỏi catôt

• Cấu hình sử dụng đến phân thế trên đế để kích thích bắn phá ion và quá trình phủ màng

• Phóng điện bằng hỗ trợ ion nhiệt : điện tử thứ cấp được tăng cường từ sợi vonfram đốt nóng.

III. PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON RF TRONG CHẾ TẠO MÀNG MỎNG

• RF ở đây là viết tắt của chữ Radio

Frequency nhưng ý nghĩa của nó ở đây là năng lượng của quá trình tạo plasma được cung cấp bởi các dòng điện xoay chiều cao tần (ở tần số sóng radio từ 2 - 20 MHz)

• Màng mỏng (thin films) tạo bởi kỹ thuật này có thể bao gồm nhiều vật liệu khác nhau và màng rất đồng đều.

1. Nguyên tắc hoạt động

• Dòng

là

khí

argon

(thường

hoặc argon+O2, argon+N2) được bơm vào buồng chân không tạo plasma hình thành các ion Ar+. Các ion này hướng về target (kim loại cần tạo mạng mỏng) được áp thế âm. Các ion này di chuyển với vận tốc cao, bắn phá target và đánh bật các nguyên tử của target ra khỏi target. Các nguyên tử này bay lên và đi đến substrate (thuỷ tinh hay silicon wafer), tích tụ trên substrate và hình thành màng mỏng khi số lượng nguyên tử đủ lớn.

1. Nguyên tắc hoạt động

Đế

tAr

e-

KhíAr

Ar Ar+

13.56MHz

Ar+ e-

Khí N2

N+

tN

Khí bên ngoài

S N S

Bơm CKhông

3. Sơ đồ cấu tạo

Plasma:

- Điện tử thứ cấp phát xạ từ catôt được gia tốc trong trường, điện chúng ion-hóa các nguyên tử khí, do lớp tạo đó plasma

Bia (kích thước cỡ 2” hoặc 3”) : Được gắn vào một bản giải nhiệt. Bản giải nhiệt được gắn vào cathode.

Đế: Được áp vào điện cực anode

Đế Silicon

Đế thủy tinh

Một số loại đế dùng trong hệ phún xạ

Đế Ceramic (gốm)

Buồng chân không

Bộ phận tạo chân không

Thường dùng 2 loại bơm : Bơm sơ cấp (bơm rote hoặc bơm quay dầu): • Tốc độ : 30 m3/h. • Áp suất tới hạn: 10-2 torr Bơm khuếch tán : • Tốc độ : 200 l/sec • Áp suất tới hạn : 10-10 torr

Chân không phún xạ: • Chân không tới hạn : 10-7 torr • Chân không làm việc : 10-2  10-3 torr