Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O...
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Mini-curso:
Introdução a Plasmas
XVI Semana da Física
Julio César Sagás
22 de setembro de 2016
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Sumário• História
• Primeiras observações de plasmas• Desenvolvimento da tecnologia de plasmas
• Fundamentos físicos e químicos• Processos colisionais• Classificação de plasmas• Propriedades• Tipos de descargas elétricas• Química de plasmas
• Aplicações• Aplicações de plasmas térmicos• Aplicações de plasmas não-térmicos
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Um pouco de história
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Lin
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tem
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1800
1850
1900
~1780
~1830
1857
~1880
~1900
1923
Georg Christoph Lichtenberg primeiro gera os padrões de descarga elétrica em alta tensão que levam seu nome.
Michael Faraday estuda a descarga luminescente e discute a possibilidade de um quarto estado da matéria.
Werner von Siemens desenvolve o ozonisador, a primeira aplicação de plasmas tecnológicos.
William Crookes descobre o plasma.
Joseph John Thomson revela a natureza dos raios catódicos.
Irving Langmuir descobre as oscilações do plasma.
Um pouco de história
~1781 Henry Cavendish sintetiza H2O em descargas de H2/O2.
1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.
~1810 Ivan Petrov e Humpry Davy descobrem separadamente a descarga em arco.
~1890 Nikola Tesla realiza descargas em rádio-frequência.
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5
1950
2000
1938
1954
1980
~2000
General Eletric Co. inventa a lâmpada fluorescente. Esta é a primeira lâmpada de descarga elétrica em baixa pressão para fornecer luz branca e continua.
H. Tracy Hall descobre diamantes como um produto de descargas elétricas em gás acetileno em altas temperaturas de
processo (~2000ºC).
Processadores e chips são fabricados em áreas cada vez menores com o uso da tecnologia de plasmas.
Só na Alemanha, bem mais de 200 empresas atuam no domínio da tecnologia de plasma de baixa temperatura.
Atualmente, a tecnologia de plasma apresenta-se como uma ferramenta essencial para a manipulação do mundo micro/nanoscópico.
Lin
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do
tem
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Um pouco de história
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Descargas elétricas e o desenvolvimento da Física Moderna
22
1
2
11
nRH
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É absolutamente seguro
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FUNDAMENTOS
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Plasmas
sólido
(gelo)
gás
(vapor)
energia
energiaplasma(elétrons+íons)
líquido
(água)
energia
Plasma é o quarto estado da matéria?
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Plasmas Plasma ( - “substância moldável”): é um gás parcialmente ou totalmente ionizado no qual as densidades de cargas positivas e negativas são aproximadamente iguais. O termo “plasma” foi introduzido em 1923 por Langmuir e Tonks quando estudavam descargas elétricas em gases.
elétron
íon
espécie neutra
Nova química!
Exemplo:
Ionização:
e- + Ar → Ar+ + 2e-
e- + O2 → O2+ + 2e-
Captura de elétrons:
e- + O2 → O2+ + 2e-
Desexcitação:
e- + O2* → O2 + e- (emissão de luz)
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Espécies em um plasma
Um plasma é constituído por diversas espécies: partículasneutras, íons, elétrons e espécies excitadas.
Estas partículas colidem entre si, transferindo energia emomento umas para as outras.
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Excitação e ionização
Excitação:
+
e-
Estado fundamental
H
+
e-
Estado excitadoH*
Energia
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Excitação e ionização
Ionização
+
e-
Estado fundamental
H
+
e- livre
Íon positivoH+
EnergiaNa excitação e na ionização há
mudança na energia interna (potencial) do átomo.
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Colisões elásticas e inelásticas
2
221
21
1
2 cos)(
4
mm
mm
E
E
Transferência de energia em uma colisão elástica:
Energia cinética da partícula incidente
Energia cinética adquirida pela partícula-alvo
Para m1 = m2: 2
1
2 cosE
E2
2
1
1
2 cos4
m
m
E
EPara m1 << m2:
Colisão íon-átomo Colisão elétron-átomo
Elétrons transferem pouca energia cinética para átomos.
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Colisões elásticas e inelásticas
Transferência de energia em uma colisão elástica:
Energia cinética da partícula incidente
Variação de energia potencial da partícula-alvo
Para m1 = m2: Para m1 << m2:
Colisão íon-átomo Colisão elétron-átomo
2
1
cos2
1
E
U2
1
cos
E
U
2
21
2
1
cosmm
m
E
U
Elétrons são muito eficientes para alterar a energia interna
de átomos e moléculas.
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Processos colisionais
ABBA
ABBA
CBABCA
eBABA
eBABA
BABA
ABBA
ABBA
hvAAe
hvAAe
BABAe
BAABe
eBeAABe
eBAABe
eeAAe
hvAeAe
eAAe
eeAAe
eAAe
*
*
*
*
*
Colisão elástica
Ionização por impacto eletrônico direto
Excitação/ formação de metaestável
Desexcitação
Ionização poretapas
Dissociação
Ionização dissociativa
Attachment dissociativo
Recombinação no volume
Attachment
Recombinação radiativa
Transferência de carga (ressonante para B=A)
Colisão elástica
Excitação
Ionização
Ionização porefeito Penning
Dissociação
Oligomerização
Oligomerização
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Seção de choque
Liebermann, Lichtenberg. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing.
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Propriedades de um plasma
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Densidade e temperatura
volume
partículasn cinE
kfT
2
Na física de plasmas, a temperatura costuma ser
dada em unidades de energia (eV). Neste caso, o termo temperatura se
refere ao produto kT.
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Classificação de plasmas: frio e quente
Quente= 1
Frio<< 1
total
e
n
n
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Classificação de plasmas: térmico e não-térmico
TérmicoEquilíbrio Termodinâmico local
Não-térmicoFora do equilíbrio termodinâmico
gie TTT
gie TTT
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Função distribuição de energia
kTkTF
exp
12)(
23
Maxwell-Boltzmann
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Descargas elétricas em gases
Descarga elétrica não é sinônimo de plasma!
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Definição formal de plasma
Condição de quasi-neutralidade:
Blindagem:
nn
Len
kT
e
eD <<
21
2
0
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Comprimento de Debye e bainha de plasma
PLASMA
BAINHA DE PLASMA
POTENCIAL
elétrons
íons
xs
Vs
Vp
SUBSTRATO
É na região de bainha onde ocorrem as reações de interação plasma-superfície!
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Bainha de plasma
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Frequência de plasma
2/1
0
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m
ne
e
epe
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Como gerar um plasma?
- +Gás
Vácuo
Fonte de potência
- +
Eletrodos
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Como gerar um plasma?
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Como gerar um plasma?
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Atoms
Electrons
Íons
Fonte de potência
• Descargas de Townsend ocorrem quando oselétrons livres adquirem (entre duas colisõessucessivas) energia maior do que a energia deionização do gás.
• Os elétrons causam ionização, gerando novoselétrons, que também podem causar mais ionizações,levando então ao processo de avalanche.
•O número de elétrons cresce exponcencialmentecom a distância entre os eletrodos.
ndxdn
Descarga de Townsend
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Ten
são
de r
up
tura
(V
)
P.d (torr.cm)
102
103
104
10-1 100 101 102 103
• Em baixa pressão a tensãode ruptura depende apenasdo produto P.d
)/11ln(ln
Apd
BpdVb
• A tensão de ruptura mínima e o correspondente valor deP.d depende do gás e do coeficiente de emissão de elétronssecundários (γ) do material.
11ln)( min
A
BeVb
11ln).( min
A
edP
Descarga DC: Lei de Paschen
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Reta de carga e ponto de operação
V = E0 - RI
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Descarga luminescente
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Descarga em arco – pressão atmosférica
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Transição glow para arco
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Descarga em arco
- Descarga luminescente - Descarga em arco
-Cátodos quentes (W, Mo, etc): aguentam alta temperatura
- Cátodos frios (Cu, Al, etc): metal vaporiza no “pé do arco”. O arco “dança” sobre a superfície.
- Compatibilidade cátodo e gás é importante.
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Plasmas não-térmicosFora do equilíbrio termodinâmico Ionização por impacto eletrônico Seletividade química
Plasmas térmicosEquilíbrio termodinâmicoAquecimento do gás Equipartição de energia
Arcos térmicos e não-térmicos
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Descarga em arco
Cathode sheath
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• Em frequências > 100kHz, os elétrons acompanham o campo e os íons não.
Descargas com eletrodos dielétricosou sem eletrodos
Descargas DC são rapidamente extinguidas
Solução: alternar o campo elétrico em uma frequência f
CARACTERÍSTICAS
Eletrodo isolante
Fonte AC
(Hz)
onde:
Descargas em rádio-frequência
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• Em frequências > 100kHz, os elétrons acompanham o campo e os íons não.
Descargas com eletrodos metálicos ou dielétricosou sem eletrodos
Descargas DC são rapidamente extinguidas
Solução: alternar o campo elétrico em uma frequência f
CARACTERÍSTICAS
Eletrodo isolante
AC power supply
• Em frequências > 100kHz, o campo alternado faz os elétrons oscilar e adquirir energia suficiente para causar colisões ionizantes, reduzindo assim a dependência da descarga com os elétrons secundários diminuição da tensão de ruptura da descarga.
Descargas em rádio-frequência
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13.56 MHz
Plasma e-
O sinal RF é usado para gerar um campo elétrico variável no tempo entre o plasma e o eletrodo;
Este campo elétrico tranfere energia para os elétrons, oscilando-os;
Com a energia adquirida os elétrons ionizam o gás..
Acoplamento capacitivo(CCP)
Eletrodo polarizado
Geometria
Descargas em rádio-frequência
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43
Autopolarização do substrato
+ + + ion
Descargas em rádio-frequência
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44
Acoplamento indutivo (ICP)
Uma tensão RF é aplicada a umabobina enrolada em torno de umdielétrico. Isto gera um campomagnético dado por:
Este campo magnético variável no tempo cria um campoelétrico variável no tempo (perpendicular ao campomagnético.
I.
Princípio da descarga II.
O campo elétrico induz uma corrente no plasma. Os elétrons assim aceleradossustentam a descarga.
III.
Current in wire
B
Current in Plasma
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45
Acoplamento indutivo(ICP)Exemplos de configuração da bobina
Bobina cilindrícaBobina planar
Descargas em rádio-frequência
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Descarga de cátodo oco
• Os elétrons ficamconfinados entre assuperfícies polarizadasnegativamente.
• Tal efeito gera plasmasmais densos.
• Embora possa ser criadopropositalmente, o efeitode cátodo oco pode serum problema notratamento de peças quecontenham furos. Nestescasos, pode haversobreaquecimento.
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Descarga de cátodo oco
Vacuum
pump
DC +
--
Efeito pêndulo
Sputtering
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APGD (Atmospheric pressure glowdischarge)
• Em pressão atmosférica a tendência é que a descarga luminescente se transformeem um arco.
• Portanto, é preciso criar estratégias para limitar a corrente da descarga.
• Dentre elas, estão a refrigeração dos eletrodos e/ou o uso de geometrias maiscomplexas.
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Descarga de barreira dielétrica (DBD)
• Na DBD o menos um dos eletrodos écoberto com um dielétrico. O que limita acorrente da descarga, uma vez que não hácorrente de condução, apenas dedeslocamento.
• Estas descargas podem operar em pressãoatmosférica e serem usadas para gerar jatosde plasma.
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Descarga de barreira dielétrica (DBD)
• As descargas podem ser“contínuas” se assemelhandovisualmente a uma descargaluminescente ou filamentares(modo mais comum).
• A potência é tipicamentebaixa.
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Nanosecond pulsed discharge
![Page 52: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/52.jpg)
Descargas de “arco” deslizante
Descarga não-estacionária
• Eletrodos divergentes• A ruptura ocorre na menor distância entre eletrodos• A coluna de plasma é empurrada pelo gás• A descarga é extinta e reiniciada• Pode gerar plasmas térmicos, não-térmicos ou no regime transicional• Arco ou descarga luminescente contraída?
V0
R
Gas
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Descargas de “arco” deslizante
![Page 54: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/54.jpg)
Corona• Ocorrem em pressão atmosférica.
• São descargas de baixa luminosidade.
• Problemas em linhas de transmissão dealta tensão.
![Page 55: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/55.jpg)
Micro-ondas
• Sem eletrodos.
• Frequências da ordem de GHz (mesmaordem da frequência de plasma).
•Geram plasmas de alta densidade.
![Page 56: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/56.jpg)
Descarga “spark”
• Entre a corona e o arco.
• Usada para ignição de motores decombustão interna.
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Jatos de plasma
• Podem ser gerados por DBD, arcodeslizante, arco, micro-ondas, RF, etc....
![Page 58: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/58.jpg)
Química de plasmas: com ou sem equilíbrio?
G. Petitpas et al, International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 2848 – 2867
![Page 59: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/59.jpg)
• Constantes de reação
0
212211 )()( dvdvvFvFvvK rr
kT
EKK aexp0
Velocidaderelativa Seção de choque Função
distribuição
O que a tecnologia de plasmas pode oferecer para a Química?
E se for uma reação envolvendo elétrons?
![Page 60: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/60.jpg)
• Em um plasma fora do equilíbrio termodinâmicoTe>>T, logo ve>>v
0
)()( eeeee dvvFvvK
Só depende da velocidade (energia) dos elétrons
O que a tecnologia de plasmas pode oferecer para a Química?
![Page 61: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/61.jpg)
Constante de reação
Mas o número de elétrons é muito
pequeno!
![Page 62: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/62.jpg)
T
EETEkTEk va
vRvR
exp),(),( 0
arad
ad
EE
E
• Redução da energia de ativação
O que a tecnologia de plasmas pode oferecer para a Química?
Energia vibracional Temperatura translacional
Modelo de Fridman-Macheret
• Geração de radicais e espécies excitadas
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63
- Sonda de Langmuir potencial flutuante (Vf);
potencial de plasma (Vp);
temperatura eletrônica (Te);
densidade de elétrons e de
íons (ne, ni);
comprimento de Debye (λDe);
função distribuição de energia
dos elétrons (FDEE).
- Espectroscopia óptica de emissão
-Espectrometriade massa
pressão parcial das
espécies neutras do gás (íons
+ e – também é possível).
intensidade da emissão de
espécies neutras e iônicas do
gás;
estimativa da densidade do de
espécies neutras como F e O
atômico (actinometria).
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 6510
-3
10-2
10-1
CO2+
CO+
Inte
nsi
dade r
ela
tiva
m/q (uma)
H2+
H2O+
Diagnóstico de plasmas
![Page 64: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/64.jpg)
• Modelos de fluidos
• Usa as equações da magnetohidrodinâmica (MHD)
• Modelos cinéticos
• Simula o comportamento das partículas sob a ação de campos
• Usa métodos estatísticos (PIC/Monte Carlo)
Simulações
• Modelos híbridos
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Aplicações
![Page 66: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/66.jpg)
66
Displays a plasma;Lasers;Lâmpadas fluorescentes;Fontes de feixe de elétrons e íons.
Fontes de luze radiação
Eletricidade
Aplicação dos“Plasmas frios”
EnergiaMecânica
Química Calor
Propulsores a plasma.
Comutadores de energia elétrica;Geração de energia.
Processamento de materiais por plasmas
Microeletrônica: corrosão, deposição, oxidação, implantação, passivação;Deposição e pinturas para área automotiva e aeroespacial;Fusão de materiais, soldagem, corte, têmpera;Síntese de cerâmicas, pós ultrapuros, nano-pós, nano-tubos;Tratamentos de adesão (ex.: produtos têxteis);Tratamento de materiais para bio-compatibilidade,
esterilização e limpeza.
pressão > 1 Torr
MEMS
Intel
Nanotubos
Aplicações
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PLASMAS TÉRMICOS
![Page 68: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/68.jpg)
Plasmas térmicos: tochas de plasma
- Plasmas em equilíbrio termodinâmico local
GAS
15.000 0CCATHODE
ANODE
INSULATOR
COIL
RF IGNITION
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Combustível Oxigênio (ar)
Chama
(CO2, H2O,
N2, O2)
Arco de
plasma
( - )
( + )
Gás de
plasma
Chama
(Ar, N2)
Trabalho
( - )
( + )
Arco de
plasma
Gás de
plasma
(Ar, N2)
ARCO NÃO-TRANSFERIDOANT
COMBUSTION
ARCO TRANSFERIDOAT
Gás deplasma
Chama
RADIO FREQÜÊNCIA
T = 3000 ~ 15000 K
T = ~ 2000 K (máx.)
PLASMA
Tochas de plasma
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Deposição por arco em vácuo
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Thermal Plasma SprayPowder Feed
Plasma
Substrate
1. O pó é fundido no plasma2. Gotas derretidas são jogadas
contra a superfície3. As gotas solidificam no
substrato4. Uma camada é formada
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Gasificação assistida por plasma
![Page 73: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/73.jpg)
Simulação de reentrada com tochas de plasma
LPP-ITA
![Page 74: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/74.jpg)
PLASMAS NÃO-TÉRMICOS
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75
Lâmpadas de plasma recém-desenvolvidas são 10 vezesmais claras que as comuns,consomem quase metade deenergia e duram até 20.000horas.
Iluminação
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76
Recobrimentos ou Filmes finos
Definição: Filme fino é uma fina camada de material que varia de frações de um nanômetro (nm, monocamada atômica) para vários micrômetros (µm) de espessura.
Displays flexíveis(OLED)
Painéis solares de filmes finos
Aplicações:
Dispositivosóticos
Controle de desgaste
Aplicações de plasmas não-térmicos
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77
Deposição de filmes
• Filme formado por reaçõesquímicas no volume da descarga e nasuperfície do substrato.• Permite obter materiais emtemperaturas menores que as usadasem processos convencionais.• Dependente do fluxo de gases.• Uniformidade.• Recomendado para deposição emgeometria complexas.
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Sputtering (pulverização catódica)
Uma das vantagensobtidas com plasma e apossibilidade decontrolar o movimentodas partículas pelaaplicação de camposelétricos e/oumagnéticos.
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Deposição de filmes por sputtering
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Magnetron sputtering
USP – Cortesia do Prof. Abel Recco
![Page 81: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/81.jpg)
Zona de erosão
![Page 82: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/82.jpg)
Campo magnético
1<K
1K
1K
![Page 83: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/83.jpg)
High Power Impulse MagnetronSputtering (HiPIMS)
- Novas fontes de potência- Alta densidade de plasma- Self-sputtering
Alto grau de ionização
![Page 84: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/84.jpg)
HiPIMS
K. Sarakinos et al, Surface & Coatings Technology204 (2010) 1661–1684
Evolução temporal
Aumento de quase 6 ordens de magnitude quando comparado ao magnetronconvencional
![Page 85: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/85.jpg)
85
Lei de Moore: “O número de transistores dos chips teria um aumento de 100%,
pelo mesmo custo, a cada período de 18 meses.”
Microeletrônica: Evolução dos microprocessadores
Aplicações
![Page 86: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/86.jpg)
MEMS
Wafersilício
Ponteira AFM Chips, DRAM
Intel
Conjuntode máscaras
deposição,dopagem
litografia
corrosãoProcessos demicrofabricação
• úmida;
• seca. Plasmas
Caract.requeridas
• alta taxa de corrosão;
• razão-de-aspécto.
• elevada anisotropia;
Wafer processado
86
Microeletrônica: Processo de microfabricação
Aplicações
![Page 87: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/87.jpg)
87
Mecanismos básicos do processo
de corrosão a plasma
Corrosão a plasma
![Page 88: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/88.jpg)
Nitretação a plasma• Altera a superfície de peças metálicas,melhorando propriedades como dureza,resistência ao desgaste, resistência acorrosão, etc.• Ocorre a difusão de nitrogênio nomaterial devido às altas temperaturas.•Opera em temperaturas menores doque a nitretação convencional.• Menos agressivo ao meio ambiente.
![Page 89: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/89.jpg)
Implantação iônica por plasma
• Pulsos de alta tensão são aplicados àpeça sendo tratada.•Os íons gerados no plasma sãoimplantados no material.• Esta técnica pode ser usada paradopagem.
![Page 90: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/90.jpg)
Modificação superficial por plasma
• Pode ser realizada em baixapressão ou em pressãoatmosférica
• Altera a molhabilidade desuperfícies.
•Aplicável a polímeros, metais ecerâmicas.
• Ativa quimicamente asuperfície.
![Page 91: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/91.jpg)
Combustão assistida por plasma
Efeitos térmicos
Efeitos de transporte
Efeitos cinéticos
• Aumento da reatividade
• Vento iônico
• Geração de radicais
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Espectrometria de massas
100 200 300 400 5000.0
0.5
1.0
1.5
2.0
No plasma
No flame
Plasma
No flame
Plasma and
Flame
207 W
(4.7 %)
Ion
Cu
rre
nt
(10
-11 A
)
Time(s)
= 1.9
m/z
16 (CH4
+)
2 (H2
+)
395 W
(8.9 %)
Sagás et al. Fuel 182 (2016), 118-123
![Page 93: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/93.jpg)
Emissões de hidrocarbonetos
Varella et al. Fuel 184 (2016), 269-276
*** 2 OOHOH
OHCHCHOH 234 **
234 ** HCHCHH
OHHHOH 22 **
CH4 consumption
H and H2 addition reduces CH4
concentration
![Page 94: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/94.jpg)
Emissões de CO e CO2
Varella et al. Fuel 184 (2016), 269-276
** 2 HCOOHCO
*22 OCOOCO
**2 OHOHOHO
*2 OOHOH
**2 HOHHO
OHCOHOCO 22
With H2
![Page 95: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/95.jpg)
Produção de H2
Varella et al. Fuel 184 (2016), 269-276
234 HCHHCH
25262 HHCHHC
MHHCMHC 22242
23242 HHCHHC
• Disssociação de hidrocarbonetos•Dissociação de H2O?
![Page 96: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/96.jpg)
Emissões de NOx
Varella et al. Fuel 184 (2016), 269-276
)()()13,( 43
2 SNNOPOXN
)()()( 3
2
2 PONOXODN
)()()( 3
2
4 POXNSNNO
eNOeNO )(
![Page 97: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/97.jpg)
Controle aerodinâmico
Phys. Plasmas 10: 2117–26, 2003.
• Descargas podem alterar o fluxo degases, devido a efeitos como ventoiônico e mudanças na densidade dogás.•Descargas “superficiais” são usadaspara controle aerodinâmico, como DBDe “arco” deslizante.
![Page 98: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/98.jpg)
Esterilização a plasma• Efeitos do plasma, comoaquecimento, emissão de UV e deradicais podem ser usados paraesterilização de materiais.
![Page 99: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/99.jpg)
Agricultura a plasma
![Page 100: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/100.jpg)
Medicina a plasma
![Page 101: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/101.jpg)
Plasmas em líquidos
• Plasmas sobre líquidos edentro de líquidos vêmsendo estudados paratratamento de poluentes esíntese de nanomateriais.
![Page 102: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/102.jpg)
Catálise a plasma• Unir os efeitos decatalisadores e plasmas.• É possível catalisar reaçõesquímicas em temperaturasmenores.• Há sinergia entre o plasmae o catalisador.
Understanding plasma catalysis through modelling and simulation - A reviewJournal of Physics D Applied Physics 47(22):224010 · May 2014
![Page 103: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/103.jpg)
Antenas a plasma
•Plasmas podem funcionarcomo refletores parafrequências abaixo dafrequência de plasma.• A absorção ou reflexãodepende da frequência decolisão.
![Page 104: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/104.jpg)
Raios e relâmpagos
CARACTERIZAÇãO DOS RAIOS POSITIVOS ̃ ATRAVES DE C ÂMERAS DE ALTA VELOCIDADE E ̂ SENSORES DE CAMPO ELETRICO ́ Carina Schumann - INPE
![Page 105: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/105.jpg)
Propulsores a plasma
• Baixo empuxo• Indicada para ambientes de vácuo
![Page 106: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/106.jpg)
Microplasmas e plasmas quânticos
Samukawa, S., Hori, M., Rauf, S., Tachibana, K., Bruggeman, P., Kroesen, G., … Mason, N. (2012). The 2012 Plasma Roadmap. Journal ofPhysics D: Applied Physics, 45, 253001. http://doi.org/10.1088/0022-3727/45/25/253001
![Page 107: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/107.jpg)
Fusão nuclear: plasmas quentes
![Page 108: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/108.jpg)
108
Automobilistica:Os fabricantes de automóveis de hoje são obrigados a satisfazer simultaneamente as seguintes exigências: A maior mobilidade deve ser conciliada com menor consumo de energia e baixas emissões de poluentes. A “Tecnologia de Plasmas” pode atender tal demanda, veja:
Parte plástica:Melhor adesão na pintura
Sistema de Informação: display de plasma
Vidros auto-limpantes Transmissão: Fricção reduzida
Exaustão: menos poluentes e partículas de fuligem
Tanque: selado
Ignição a plasma: ignição confiável, exaustão limpa
Componentes de injeção: resistente ao desgaste significa menos poluentes e partículas
Luzes: brilhantes com plasmas tipo arco
Refletores: protegidos contra corrosão
Tecnologias de mobilidade ambientalmente aceitáveis
Aplicações
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Pesquisa com plasmas frios no Brasil
![Page 110: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/110.jpg)
Empresas envolvidas com tecnologia de plasmas no Brasil
![Page 111: Mini-curso: Introdução a Plasmas · ~1781 Henry Cavendish sintetiza H 2 O em descargas de H 2 /O 2. 1866 M. Berthelot faz conversão de compostos orgânicos com descargas elétricas.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022081410/608ee5b79278e66c4356b562/html5/thumbnails/111.jpg)
Laboratório de Plasmas, Filmes e Superfícies
• Criado em 1998
• Líder do grupo: Luis César Fontana
• Vice-Lider do grupo: Jacimar Nahorny
Pesquisadores Instituição Departamento Pós-Graduação
Luis César Fontana CCT-UDESC Física PGCEM
Jacimar Nahorny CCT-UDESC Física
Milton José Cinelli CEART-UDESC Física
Abel André Cândido Recco CCT-UDESC Física PGCEM
Julio César Sagás CCT-UDESC Física PPGF
Daniela Becker CCT-UDESC Produção PGCEM
Dianclen do Rosário Irala Católica - SC
Diego Alexandre Duarte UFSC - Joinville
Joel Stryhalski IFSC
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Trabalhos em andamento
• Doutorado: 3
• Mestrado: 12
• Graduação: 4
• Ensino médio: 1
Trabalhos concluídos
• Doutorado: 2
• Mestrado: 13
• Iniciação científica > 50 (37 alunos)
Técnicos
Julio Cesar de Oliveira Fermino
www.cct.udesc.br/?id=1862