Plazmatisztító

A plazmatisztító használata során a kamrájába helyezett minta felületének szennyeződéseit távolítjuk el gáznemű anyagokból létrehozott plazmával. Ehhez sokféle gázt használnak, példáulargont, oxigént vagy gázkeverékeket, mint például levegőt vagy hidrogén-nitrogén keveréket. A plazmát nagyfrekvenciás elektromágneses tér (jellemzően kHz-től MHz-ig) segítségével állítják elő, ami ionizálja az alacsony (jellemzően 100 Pa) nyomású gázt, bár manapság már légköri nyomású plazmával is dolgoznak.^[1] Valószínűleg történelmi okokból, a nyomást sok esetben még mindig Torr-ban (higanymilliméterben) adják meg és mérik, vélhetően a korábban nyomásmérésre elterjedt higanyos manométerek miatt.

Módszerek

A plazmatisztító zárt kamrájában a gázatomokat váltófeszültségű elektromos térrel gerjesztett állapotba hozzák és ionizálják is. Ahogy az atomok és molekulák „legerjesztődnek” az alapállapotukba, fotont bocsájtanak ki, ezért világít a plazma. A gerjesztett és alapállapot közötti energiakülönbség a keletkező foton energiája, ez határozza meg a fény színét ( ${\textstyle E=hc/\lambda }$ , ahol $h$ a Planck-állandó, $c$ a fénysebesség, $\lambda$ pedig a fény hullámhossza, ez határozza meg a benne levő színeket, a plazma spektrumát). A különböző gázok plazmája eltérő színű, mert más-más energaszintjeik vannak, például az oxigénplazma világoskék, a levegőplazma lilás színnel világít. A plazma aktivált alkotórészei atomok, molekulák, ionok, elektronok, szabad gyökök és fotonok a rövidhullámhosszú ultraibolya (vákuum UV vagy röviden VUV) tartományban. Ez a kémiailag nagyon reakcióképes keverék kölcsönhatásba lép a plazmába helyezett bármely felülettel. Az oxigénplazma hatékony, gazdaságos, környezetbarát módszer a nagy tisztaságú felületek létrehozásához szükséges tisztításhoz. A VUV foton nagy energiája nagyon hatékony a felületi szennyeződések legtöbb szerves kötésének (pl. ${\ce {C-H}}$ , ${\ce {C-C}}$ , ${\ce {C=C}}$ , ${\ce {C-O}}$ és ${\ce {C-N}}$ ) felszakításában, ami segít elbontani a nagy molekulatömegű szennyeződéseket. A második tisztítási módot adják a plazmában keletkező oxigénfajták ( ${\ce {O_2^+}}$ , ${\ce {O_2^-}}$ , ${\ce {O_3}}$ , ${\ce {O}}$ , ${\ce {O^+}}$ , ${\ce {O^-}}$ és ionizált ózon ( ${\ce {O_3}}$ ), a metastabil gerjesztett oxigén, illetve a szabad elektronok reakciója a szennyeződéssel.^[2] Szerves szennyeződésekkel reagálva ${\ce {H_2O}}$ -t, ${\ce {CO}}$ -t, ${\ce {CO_2}}$ -t és kisebb molekulatömegű szénhidrogéneket képeznek. Ezeknek a vegyületeknek viszonylag magas gőznyomásuk van, és a folyamat során kiürülnek a kamrából. A plazmatisztító működése közben ugyanis, a kamra kimenetére kötött vákuumszivattyú folyamatosan működik, a tűszeleppel finoman szabályozható bemenetén pedig a plazmává alakuló gáz(keverék) jut be, szintén folyamatosan. Gyorsan kialakul a be- és kimeneti gázáramlás egyensúlya, a gázplazma nyomása, ami, végeredményben a bemeneti tűszeleppel állítható be. A kezelés után kapott felület rendkívül tiszta. Az 1. ábrán a relatív széntartalom látható a gerjesztett oxigénnel történő tisztítás előtt és után.^[1]

*1. ábra*: Széntartalom a kezelt felület alatti, (angstömben mért) mélység függvényében. rombuszok: mintakezelés előttnégyzetek: 1 másodperces palzmakezelés utánA "base level" mutatja a tisztított anyag eredeti széntartalmát (kb. 17%) A mérési pontokra normális eloszlás függvényt illesztettek (folytonos vonal)

Ha a behelyezett minta könnyen oxidálódó anyagokból, például ezüstből vagy rézből áll, a tisztításhoz inkább nemesgázokat, például argont vagy héliumot használnak. Szintén nemesgázok plazmáját használják vékony bevonatok készítéséhez a katódporlasztókban. Az illeszkedési szög mérésével ellenőrizhető, hogy a szervesanyagok eltávolítása teljes volt-e vagy sem. Szerves szennyeződés jelenléte esetén, a víz illeszkedési szöge nagy. Amikor sikerült eltávolítani a szennyeződést, az illeszkedési szöget a tiszta anyaghoz tartozó értékre csökkenti. Ezenkívül az XPS-t és az AFM-et gyakran használják felülettisztaság és sterilitás ellenőrzésére.^[3]

Ha a kezelendő felületet strukturált vezetőréteggel (pl.: fém, esetleg ITO^[4]) vonják be, rájuk nézve a plazmával való közvetlen érintkezés roncsoló hatású lehet (a plazma magas hőmérsékletű mikro-ívkisülésekké húzódhat össze). Ilyen esetekben előnyösebb a plazmában metastabil állapotba gerjesztett, semleges atomokkal történő tisztítás alkalmazható.^[5] A Cr- és ITO- réteggel bevont üvegminták felületén végzett kezelések hatását a róluk készített felvételek segítségével a 2. ábrán láthatjuk.

*2. ábra*: 5 μl (mikroliter) térfogatú vízcsepp illeszkedési szöge különböző anyagokkal (króm, illetve ITO) bevont üvegen a kezelés előtt (fent) és után (lent).

Alkalmazások

Fémfelület tisztítása atmoszférikus nyomású plazmával

Tisztítás és sterilizálás

A plazmatisztítás kémiai reakcióval vagy szénhidrogének fizikai ablációjával távolítja el a szerves szennyeződéseket a kezelt felületekről.^[3] A plazmatisztítás használható az oldatos kémiai eljárások helyett (mint például a piranha maratás, illetve a krómsav), amelyek veszélyes vegyületeket tartalmaznak.^[6]

Élettudományok

A sejtek életképességét, működését, proliferációját (növekedését, szaporodását) és differenciálódását a mikrokörnyezetükhöz való tapadásuk határozza meg.^[7] A gázplazmát gyakran használják vegyszermentes eszközként biológiai szempontból fontos funkciós csoportok (karbonil, karboxil, hidroxil, amin stb.) hozzáadására a kezelt anyagfelület molekuláihoz.^[8] Ennek eredményeként a plazmatisztítós kezelés javítja az anyagok biokompatibilitását vagy bioaktivitását, ezért az élettudományokban használják sejttenyésztéshez,^[9] szövetnövesztéshez,^[10] implantátumokhoz és még sok máshoz. Ezen kívül el is távolítja a kezelt felületről a szennyező fehérjéket és mikrobákat

Anyagtudomány

A felület nedvesítőképességének szabályozása az anyagtudomány alapvető eszköze a felületi anyag tulajdonságainak javítására magának az a hordozóanyag tulajdonságainak befolyásolása nélkül. Plazmatisztítós kezeléssel poláris funkciós csoportokat lehet rákötni a felületre ami hidrofilebbé teszi (nedvesítőbbé) javítja a tapadást vizes bevonatokkal, ragasztókkal, tintákkal és epoxikkal.

Mikrofluidika

A mikro- vagy nanoméretű folyadékáramlás egyedi jellemzőit a mikrofluidikai eszközök hasznosítják a legkülönfélébb kutatási alkalmazásokban. Ezen eszközök prototípusának legszélesebb körben használt anyaga a polidimetilsziloxán (PDMS), többek közt mert gyorsan elkészül belőle a mikrofluidikai eszköz és szabályozható anyagtulajdonságai miatt. A plazmatisztítást a PDMS mikrofluidikus chipek üveglemezekkel vagy PDMS-lapokkal való tartós ragasztására használják, hogy vízzáró mikrocsatornákat hozzanak létre. Az oxigénplazmás kezelés hatására ugyanis a PDMS felületén olyan kémiai csoportok jönnek létre, amik erős, kovalens kötéssel kapcsolódnak az üveg molekuláihoz vagy az így kezelt PDMS-en szintén létrejött kémiai csoportokhoz.^[11]

Napelemek

A plazmát a napelemek teljesítményének, hatásfokának javítására is használják^[12]^[13]

Jegyzetek

↑ ^a ^b Evgeny V. Shun’ko (2007). „Cleaning Properties of atomic oxygen excited to metastable state 2s²2p⁴(¹S₀)”. J. Appl. Phys. 102 (8), 083304–1–14. o. DOI:10.1063/1.2794857.
↑ A. Pizzi. Handbook of Adhesive Technology, Revised and Expanded, 2, illustrated, revised, CRC Press, 1036. o. (2003. december 7.). ISBN 978-0824709860
↑ ^a ^b Banerjee (2010. november 1.). „Molecular-level removal of proteinaceous contamination from model surfaces and biomedical device materials by air plasma treatment”. Journal of Hospital Infection 76 (3), 234–242. o. DOI:10.1016/j.jhin.2010.07.001. ISSN 0195-6701. PMID 20850199.
↑ Indium Tin Oxide. (Hozzáférés: 2003. november 10.)
↑ Evgeny V. Shun’ko (2012). „Treatment Surfaces with Atomic Oxygen Excited in Dielectric Barrier Discharge Plasma of O₂ Admixed to N₂”. AIP Advances 2 (2), 022157–24. o. DOI:10.1063/1.4732120.
↑ Raiber (2005. december 5.). „Removal of self-assembled monolayers of alkanethiolates on gold by plasma cleaning”. Surface Science 595 (1), 56–63. o. DOI:10.1016/j.susc.2005.07.038. ISSN 0039-6028.
↑ Khalili (2015. augusztus 5.). „A Review of Cell Adhesion Studies for Biomedical and Biological Applications”. International Journal of Molecular Sciences 16 (8), 18149–18184. o. DOI:10.3390/ijms160818149. ISSN 1422-0067. PMID 26251901. PMC 4581240.
↑ Lerman (2018. október 1.). „The Evolution of Polystyrene as a Cell Culture Material”. Tissue Engineering. Part B, Reviews 24 (5), 359–372. o. DOI:10.1089/ten.TEB.2018.0056. ISSN 1937-3376. PMID 29631491. PMC 6199621.
↑ Pratt (1989. december 7.). „Enhanced adherence of human adult endothelial cells to plasma discharge modified polyethylene terephthalate” (angol nyelven). Journal of Biomedical Materials Research 23 (10), 1131–1147. o. DOI:10.1002/jbm.820231004. ISSN 1097-4636. PMID 2530233.
↑ Beardslee (2016. augusztus 1.). „A sacrificial process for fabrication of biodegradable polymer membranes with submicron thickness: A SACRIFICIAL PROCESS FOR FABRICATION OF BIODEGRADABLE POLYMER MEMBRANES” (angol nyelven). Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 104 (6), 1192–1201. o. DOI:10.1002/jbm.b.33464. PMID 26079689.
↑ Chen (2018. június 3.). „Characterization of fracture energy and toughness of air plasma PDMS–PDMS bonding by T-peel testing”. Journal of Adhesion Science and Technology 32 (11), 1239–1252. o. DOI:10.1080/01694243.2017.1406877. ISSN 0169-4243.
↑ Sun (2013. február 1.). „Performance enhancement in inverted polymer photovoltaics with solution-processed MoOX and air-plasma treatment for anode modification”. Solar Energy Materials and Solar Cells 109, 178–184. o. DOI:10.1016/j.solmat.2012.10.026. ISSN 0927-0248.
↑ Kong (2018. augusztus 15.). „Defect enhances photocatalytic activity of ultrathin TiO₂ (B) nanosheets for hydrogen production by plasma engraving method”. Applied Catalysis B: Environmental 230, 11–17. o. DOI:10.1016/j.apcatb.2018.02.019. ISSN 0926-3373.

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Plasma cleaning című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

[Shun'ko-1] Evgeny V. Shun’ko (2007). „Cleaning Properties of atomic oxygen excited to metastable state 2s²2p⁴(¹S₀)”. J. Appl. Phys. 102 (8), 083304–1–14. o. DOI:10.1063/1.2794857.

[2] A. Pizzi. Handbook of Adhesive Technology, Revised and Expanded, 2, illustrated, revised, CRC Press, 1036. o. (2003. december 7.). ISBN 978-0824709860

[:0-3] Banerjee (2010. november 1.). „Molecular-level removal of proteinaceous contamination from model surfaces and biomedical device materials by air plasma treatment”. Journal of Hospital Infection 76 (3), 234–242. o. DOI:10.1016/j.jhin.2010.07.001. ISSN 0195-6701. PMID 20850199.

[4] Indium Tin Oxide. (Hozzáférés: 2003. november 10.)

[5] Evgeny V. Shun’ko (2012). „Treatment Surfaces with Atomic Oxygen Excited in Dielectric Barrier Discharge Plasma of O₂ Admixed to N₂”. AIP Advances 2 (2), 022157–24. o. DOI:10.1063/1.4732120.

[:1-6] Raiber (2005. december 5.). „Removal of self-assembled monolayers of alkanethiolates on gold by plasma cleaning”. Surface Science 595 (1), 56–63. o. DOI:10.1016/j.susc.2005.07.038. ISSN 0039-6028.

[7] Khalili (2015. augusztus 5.). „A Review of Cell Adhesion Studies for Biomedical and Biological Applications”. International Journal of Molecular Sciences 16 (8), 18149–18184. o. DOI:10.3390/ijms160818149. ISSN 1422-0067. PMID 26251901. PMC 4581240.

[8] Lerman (2018. október 1.). „The Evolution of Polystyrene as a Cell Culture Material”. Tissue Engineering. Part B, Reviews 24 (5), 359–372. o. DOI:10.1089/ten.TEB.2018.0056. ISSN 1937-3376. PMID 29631491. PMC 6199621.

[:2-9] Pratt (1989. december 7.). „Enhanced adherence of human adult endothelial cells to plasma discharge modified polyethylene terephthalate” (angol nyelven). Journal of Biomedical Materials Research 23 (10), 1131–1147. o. DOI:10.1002/jbm.820231004. ISSN 1097-4636. PMID 2530233.

[:3-10] Beardslee (2016. augusztus 1.). „A sacrificial process for fabrication of biodegradable polymer membranes with submicron thickness: A SACRIFICIAL PROCESS FOR FABRICATION OF BIODEGRADABLE POLYMER MEMBRANES” (angol nyelven). Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 104 (6), 1192–1201. o. DOI:10.1002/jbm.b.33464. PMID 26079689.

[11] Chen (2018. június 3.). „Characterization of fracture energy and toughness of air plasma PDMS–PDMS bonding by T-peel testing”. Journal of Adhesion Science and Technology 32 (11), 1239–1252. o. DOI:10.1080/01694243.2017.1406877. ISSN 0169-4243.

[12] Sun (2013. február 1.). „Performance enhancement in inverted polymer photovoltaics with solution-processed MoOX and air-plasma treatment for anode modification”. Solar Energy Materials and Solar Cells 109, 178–184. o. DOI:10.1016/j.solmat.2012.10.026. ISSN 0927-0248.

[13] Kong (2018. augusztus 15.). „Defect enhances photocatalytic activity of ultrathin TiO₂ (B) nanosheets for hydrogen production by plasma engraving method”. Applied Catalysis B: Environmental 230, 11–17. o. DOI:10.1016/j.apcatb.2018.02.019. ISSN 0926-3373.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]