Szerkesztő:Valkais/Plazmatisztító

A plazmatisztító használata során a kamrájába helyezett felület szennyeződéseit távolítjuk el a kamrában gáznemű anyagokból létrehozott plazmával. Ehhez sokféle gázt használnak, például argont, 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 a az alacsony (jellemzően 100 Pa) nyomású gázt, bár manapság a légköri nyomású plazmák is léteznek. Valószínűleg történelmi okokból, a nyomást sok esetben még mindig Torr-ban (higanymilliméterben) mérik, a korábbi higanyos manométerek miatt.^[1]

Módszerek

A plazmában a gázatomokat 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 adja a keletkező foton energiáját, a fény színét ( ${\textstyle E=hc/\lambda }$ , ahol $h$ a Planck-állandó, $c$ a fénysebesség, $\lambda$ pedig a fény hullámhossza, ami meghatározza színét). A különböző gázok plazmája eltérő színű, 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 felületek kritikus tisztításhoz. A VUV energia nagyon hatékony a felületi szennyeződések legtöbb szerves kötésének (pl. C–H, C–C, C=C, C–O és C–N) felszakításában, ami segít elbontani a nagy molekulatömegű szennyeződéseket. A második tisztítási módot jelentik a plazmában keletkező oxigénfajták ( ${\ce {O_2^+}}$ , ${\ce {O_2^-}}$ , ${\ce {O_3}}$ , ${\ce {O}}$ , ${\ce {O^+}}$ , ${\ce {O^-}}$ , ionizált ózon ( ${\ce {O_3}}$ ), a metastabil gerjesztett oxigén, 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 a kamra kimenetén egy folyamatosan működő vákuumszivattyú van, a tűszeleppel finoman szabályozható bemenetére pedig a plazmát adó gáz(keverék). Az ennek köszönhető be- és kimeneti gázáramlás egyensúlya állítja be a gázplazma nyomását. A kapott felület rendkívül tiszta. Az alábbi ábrán az anyagmélység feletti relatív széntartalom látható a gerjesztett oxigénnel történő tisztítás előtt és után^[1] .

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.

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, ITO) vonják be, rájuk nézve a plazmával való közvetlen érintkezés roncsoló hatású lehet (a plazma mikro-ívkisülésekké húzódhat össze). Ilyen esetekben a plazmában metastabil állapotba gerjesztett, semleges atomokkal történő tisztítás alkalmazható.^[4] A Cr- és ITO- réteggel bevont üvegminták felületén ugyanezen alkalmazások eredményeit mutatja az ábra.

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

Alkalmazások

5. ábra. Fémfelület plazmasugaras tisztítása

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.^[5]

Élettudományok

A sejtek életképességét, működését, proliferációját (növekedését, szaporodását) és differenciálódását a mikrokörnyezetükhöz való tapadásuk határozza meg.^[6] A gázplazmát gyakran használják vegyszermentes eszközként biológiai szempontból fontos funkciós csoportok (karbonil, karboxil, hidroxil, amin stb.) hozzáadására a kezelt anyagfelület molekuláihoz.^[7] Ennek eredményeként a plazmatisztítós kezelés javítja az anyagok biokompatibilitását vagy bioaktivitását, ezért az élettudományokban használják sejttenyésztéshez,^[8] szövetnövesztéshez,^[9] 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 igy kezelt PDMS-en szintén létrejött kémiai csoportokhoz.^[10]

Napelemek

A plazmát a napelemek teljesítményének, hatásfokának javítására is használják^[11]^[12]

Jegyzetek

↑ 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. november 4.). 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. Forráshivatkozás-hiba: Érvénytelen <ref> címke, „:0” nevű forráshivatkozás többször van definiálva eltérő tartalommal
↑ 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. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)
↑ 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. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)
↑ 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. november 4.). „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.

[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. november 4.). 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. Forráshivatkozás-hiba: Érvénytelen <ref> címke, „:0” nevű forráshivatkozás többször van definiálva eltérő tartalommal

[4] 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. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)

[:1-5] 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.

[6] 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. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)

[7] 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.

[:2-8] Pratt (1989. november 4.). „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.

[:3-9] 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.

[10] 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.

[11] 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.

[12] 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]