מה זה Plasma Ablation?

סוללת פלאסמה היא טכניקת עיבוד חומרית מתוחכמת המנצלת את המאפיינים הייחודיים של מצב החומר הרביעי – plasma – להסיר חומר משטח מוצק עם דיוק יוצא דופן.בניגוד לשיטות מכניות או כימיות קונבנציונליות, הפלזמה מסתמכת על האינטראקציה בין גז מבוזר מאוד לבין חומר יעד כדי לגרום לנפיחות מבוקרת, נשגב, או לספיגה ישירה תהליך זה הפך הכרחי מניתוח מיקרו-רפואי נמוך לרקמות.

בליבתו, הפלזמה כוללת הפניית זרם של מושגים אנרגטיים, אלקטרונים ומינים נייטרליים על תת-סטריט.האנרגיה הקינטית והרמימית המושתנת על ידי פלזמה גורמת לאטומים או למולקולות על פני השטח להתגבר על כוחותיהם המחייבים ולבריחה אל תוך שלב ה- vapor. התוצאה היא אזור הסרת נקי, מוגדר היטב עם מעט פסולת או שכבת חום-מסוג כאשר הם מתאימים כראוי.

דור פלאסמה ל-Ablation

פלסמס בשימוש ב-Ablation נוצרים בדרך כלל על ידי אחת משלוש שיטות עיקריות: שחרור קשת חשמלי, התמוטטות הנגרמת לייזר, או רדיו- ⁇ (RF) exצטטה. במערכות מבוססות קשת, שחרור גבוה וגילום מסתכם גז עובד (לעתים קרובות argon, חנקן, או אוויר) בין שני אלקטרודות, יצירת מטוס פלסמה מתמשך שניתן לסרוק על פני עבודה שנוצרה על ידי לייזר חד פעמית (a) מופעלת על ידי פליטה של כדורעף יחיד (דלקת חום) מופעלת על פני כדורעף יחיד (R) מופעלת על פני כדורעף יחיד (R2 מופעלת על פני כדורעף יחיד (Ricial).

כל דור שיטה מעניקה תכונות אופייניות לפלסמה - זמן, צפיפות, וקומפוזיציה - המשפיעים ישירות על יעילות הביטול ואיכות פני השטח.הבנת הפיזיקה הבסיסית הזו חיונית לבחירת מקור פלזמה המתאים לחומר ויישומים.

הפיזיקה הבסיסית של פלאסמה Ablation

תהליך הביטול ניתן להרס לתוך רצף של מנגנונים פיזיים המתרחשים על לוחות זמנים החל מ-fmto השניות למיקרו-שניות.המנגנון הדומיננטי תלוי בפרמטרים פלזמה, תכונות חומריות ותנאים מבולחים.

Ionization and Plasma Formation

אינדונויזציה היא הצעד הראשון ביצירת פלזמה אשר תתחבר בהמשך עם המטרה.במרבית המתקנים התעשייתיים, גז נייטרלי נתון לשדה חשמלי חזק (למשל, בקשת או פריקה RF) או דופק לייזר בעל רגישות גבוהה.שדה מאיץ אלקטרונים חופשיים, אשר מתנגשים עם אטומים נייטרליים, מסלק אלקטרונים נוספים ומייצר אנבל של משקעים תרמיים, בעוד שייתכן שגובהו של אלקטרוזמה כבדה, בעוד שבתוך כך, עשוי להיות נמוך יותר, כולל אלקטרוזמה כבדה של אלקטרוזמה, בעוד שמנה (אומית).

העברת אנרגיה ל Target

לאחר שהפלזמה הוקמה, יש להעביר אנרגיה לרכיבה. קיימים שלושה מנגנוני העברת אנרגיה עיקריים:

  • (FLT:0) חימום קולקטיבי: 1FLT:1 Ions ו נייטרליים מן פלזמה אימפולס על פני השטח, העברת אנרגיה קינטית וגורם חימום מקומי. פלסמה תרמי, גז בטמפרטורה גבוהה גם מחמם את פני השטח באמצעות הדבקה.
  • (FLT:0)Radiation:FLT:1 פלסמה חמה פולטת אולטרה סגולה אינטנסיבית (UV) וקרינת גלויה.עבור חומרים רבים, פוטונים UV נספגים בעומק מאוד רדודה (nm to μm), במהירות להעלות את טמפרטורת פני השטח ללא חימום משמעותי של הרוב.
  • (FLT:0) אנרגיה של התחדשות: כאשר ion מגיע לפני השטח, הוא יכול להתחבר מחדש עם אלקטרון, לשחרר את אנרגיית ההון (בדרך כלל מספר eV לאירוע) תגובה אקספרסמית זו עוד יותר מחמם את פני השטח.

היעילות של מנגנונים אלה תלויה בצפיפות פלזמה, אורך דביאי (אשר שולט עד כמה רחוק השדה החשמלי פלזמה חודר), ואת התכונות התרמיות והאופטיות של החומר, למשל, חד-משמעיות גבוהה, פלזמה דלת-טמפרטורה נמוכה עשויה לסמוך יותר על ההפצצות יון, בעוד שפלמהמה בעלת קצב נמוך, גבוהה, עלולה להעביר אנרגיה בעיקר באמצעות קרינה.

המונחים: removal mechanism

לאחר שמספיק אנרגיה מופקדת, טמפרטורת פני השטח עולה על נקודת החוס של החומר, וההפצה מתחילה.הנתיב המדויק של ההסרה משתנה:

  • (ב) [15] ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) חומרים כגון קרמיקה או מזחלות מסוימות עשויים לעבור ישירות מחוזק ל- vapor ללא שלב נוזלי, במיוחד בתנאים נמוכים.
  • (FLT:0) פיצוץ של פלס: 1 מתחת לפענח, תנאי צפיפות אנרגיה גבוהה (למשל, עם ננו השניות או לייזרים משניים), תת-קרקעי עלול להתחמם מעבר לנקודה הקריטית התרמודינמית.שלב מהיר מתרחש, הזרקת חומר כתערובת של אדפור ו טיפות נוזליות - תהליך ידוע כפיצוץ בשלב או חומר נפץ.
  • <חזק> השפעות ספויציה ואפקטים פוטו-מכוניים: עבור הדופקים קצרים (<10 ps), הלחץ התרמי העז יכול לעלות על העוצמה העפילית של החומר, מה שגורם לשבר מכני ולהסרת שברים מוצקים ללא התכה משמעותית.

המעבר בין משטרים אלה אינו תמיד חד; לעתים קרובות שילוב של מנגנונים תורם לשיעור ההנצחה הכולל.החשיבות היחסית יכולה להיות מכוונת על ידי התאמת פרמטרים פלזמה כגון משך הדופק, צפיפות החשמל ולחץ מרתיע.

פרדוקס פלזמה משפיע על אי-יעילות

היעילות והאיכות של הפלזמה נשלטים על ידי קבוצה של פרמטרים הקשורים פלזמה.המאסטרינג מאפשר למהנדסים להשיג גבוה באמצעות חישוב תוך שמירה על דיוק.

טמפרטורה והכחשה

טמפרטורות אלקטרוניות גבוהות יותר וריון בדרך כלל מגבירות את קצב ההפלה על ידי מתן אנרגיה גדולה יותר לחלקיק האירוע.עם זאת, טמפרטורות גבוהות מאוד יכולות להוביל לנזק תרמי מופרז, להמיס מחדש, ועצב מחדש שכבות.בפלסמות תרמיות (arcs), טמפרטורת הגז יכולה לעלות על 15,000 K, מה שהופך אותם מתאימים לעיכובים מהירים, בקנה מידה גדול (למשל חיתוך מתכות עבות).

(ה) צפיפות פלאסמה - מספר החלקיקים המואשמים בנפח יחידה - קובע את השטף של בצלים ואלקטרונים המציפים את פני השטח. צפיפות גבוהה מגביר את קצב ההפצצה והעברת האנרגיה, אך מעלה גם את הסיכון לשחיקה או לא אחידות.

דופק משך ו- Duty Cycle

ב-Damed פלזמה ablation (המוגן עם פלזמות הנגרמות לייזר או סילון קשת הדופק), משך משלוח אנרגיה הוא קריטי.ננו השניות הדופק הארוך יותר מאפשרים חום להתפוגג לתוך המשטח, יצירת אזור חום-הפגום (HAZ) שיכול להאריך מיקרומטרים רבים. PicoII ו-fto השניות מופקדות אנרגיה מהר יותר מאשר את הגדל, מצמצם את המהירות התרמית, מצמצם עכשיו, כדי למזער את ה-Hicicicial עבור ה-HPTDicial זה כמעט.

מחזור החובה (יחס הדופק במשרה מלאה עד זמן הכולל) גם חשוב.מחזורי חובה גבוהים עלולים לגרום חימום מצטבר, כל כך סינכרוניזציה נאותה עם קירור חומרי (למשל, סיוע מבועת) מועסק לעתים קרובות עבור שיבוש עמוק עם יחסים אספקט גבוה.

לחץ וספורט

האווירה הסובבת משפיעה מאוד על תכונות פלזמה. at מופחת לחץ (vacuum לכמה Torr), פלזמה יש דרך חופשית יותר מתכוון, המאפשרת ions להאיץ אנרגיות גבוהות יותר לפני התנגשות.זה משפר את התשואות המתפתלות ואת כיוון של סיליקון, מועיל עבור אנזוטרופיה לחץ אטמוספירי, פלזמה הופכת להתנגשות, מהירה עם התרחבות רחב יותר, 000 (אופרזה) עם חומרים כימיים.

תכונות חומריות ותגובה

אין שני חומרים מגיבים זהה לחשיפה פלזמה.סף החסימה, קצב ומורפולוגיה על פני השטח תלויים במאפיינים החומריים של אינטריטיס.

תכונות: התנהגות וקיבולת חום

מוליכות תרמית גבוהה (למשל, נחושת, אלומיניום) מתפשטת במהירות חום הרחק מאתר ה-Ablation, דיכוי ומניעה של נחיתות אנרגיה גבוהות יותר כדי להגיע לסף החסימה.conversely, חומרים מוליכים נמוך (למשל, קרמיקה, פלסטיק) להתרכז חום מקומי, מה שהופך אותם לקלים יותר לדלקת חום אבל נוטה לפצח חום לקבוע את יכולת הטמפרטורות גבוהה יותר; לחום (למשל, חומרים מסוימים), לחום) לחום, לחום, לחום (מתאים יותר אנרגיה) לחום) לחום (מתאים יותר, לחום) לחום (מתאים יותר, לחום).

תכונות אופטיות: Absorption and Reflection

עבור הדור של פלזמה המבוססת לייזר, ה-Climate של המטרה ב-Geltation Light, ה-Creption coefficients של לייזר, אורכי גל גלויים וקרובים, עשויים לדרוש טיפולים על פני השטח (למשל, החשיכה) או הדופקים קצרים יותר של UV כדי לספוג ביעילות קרינה.

תכונות מכניות וכימיקליות

קשיחות Fracture משפיעה על הסרת מכנית, בעוד מתכות דקירה נוטים להתמוסס ולזרימה לפני נפיחות.חומרים כימיים גם נושאים; לדוגמה, סיליקון יכול להיות מעוות על ידי פלזמות מבוססות פלואורין בטמפרטורות הרבה יותר נמוך מאשר נקודת החוסמת שלה, באמצעות היווצרות של תנודתיות כימית SiF4 זה יכול לשפר את צפיפות האנרגיה הנדרשת באופן דרמטי יותר נמוך יותר מאשר נקודת הגמישות שלה, דרך היווצרות של תנודתיות.

טכניקות מתקדמות של Plasma Ablation

כדי לענות על הדרישות הגדלות לדיוק, מהירות, וגמישות, החוקרים פיתחו מספר שיטות לובלות פלזמה משופרות.

FemtoII לייזר-Induced Plasma Ablation

לייזרים (fs) מייצרים דופקים עם משך על סדר של 10 fs עד 1 ps, המספקים נחיתות שיא מעל 10uaFLT:01303FLT 1 W / ס"מ2, שדות קיצוניים כאלה מחלחלים את החומר באמצעות הפיכה מרובה פוטון ו avalancheization לפני כל הרחבה תרמית יכול להתרחש.

המונחים: RF Plasmas

במערכות RF כפולות- ⁇ , הטיה גבוהה (למשל, 60 מהרץ) שולטת בצפיפות פלזמה בעוד קידוד נמוך (למשל, 2 MHz) מוחלת על הבמה התת-סטרית כדי לשלוט באופן עצמאי באנרגיה ההפגזה.זה decoupling מאפשר למפעיל לייעל את השטף והאנרגיה בנפרד, השגת שיעורי הדבקה גבוהים עם נזק מינימלי, הם בשימוש נרחב עבור שכבות מכניות עבור מוליכים למחצה עבור כוננים קשיחים עבור שכבות קשות.

Cryogenic-Assisted Plasma Ablation

על ידי קירור העבודה לטמפרטורות Cryogenic (למשל, עם חנקן נוזלי), התכונות מכניות של החומר משתנה - מטלטלים הופכים קשים יותר ויותר מתפתל, בעוד פולימרים הופכים נוקשה יותר.שינוי זה יכול להפחית את התכה ואת היווצרות בורר במהלך כריתת, במיוחד מתכות דוקטריליות כמו טיטניום נחושת.

יישומים בתעשייה וברפואה

השילוב הייחודי של דיוק, בקרה וגמישות הופך את פלזמה למפתח המאפשר טכנולוגיה במספר מגזרים בעלי ערך גבוה.

Semiconductor ו- Microelectronics

בייצור סמי-מוליכים למחצה, פיזור פלזמה (לעתים קרובות נקרא תחריט יבש) משמש כדי לעצב תכונות ב sub-10 nm nodes. Deep reactive-ion etching (DRIE) עם SF / O2 פלזמות יוצרות מבנים ספקוט גבוה בסיליקון עבור חיישנים meMS, microfluidics, ובאמצעות silicons דרך.היכולת להשיג ליד âtical-solsicols עם חומרים תחת â € â € â â â â â â â â â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â â â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â ¢ â â ¢ ¢ â â â â â â â â ¢ â â â â â â ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢

אוויר והגנת

רכיבי מטוסים וטורבינות שנעשו על ידי ניקל מבוסס superalloys ו קרמיקה מרוכבים קשה מכונה באמצעים קונבנציונליים. Plasma ablation, במיוחד עם מטוסי קשת בעוצמה גבוהה, מאפשר קידוח מהיר של חורים קירור (סרט-קולינג ומכשולים) עם שליטה מדויקת על צורה ועומק.טכנית גם מסירת מכשולים תרמיים ללא פגיעה בסגסוגת הבסיסית, קריטי לתיקון יתר פעולות.

הנדסה ביולוגית

בניתוח, סילון פלסמה אטמוספירית ( פלזמה קר) משמשים עבור גידול ablation, פצע פסולת, ו סטריליזציה.הפלסמה מייצרת חמצן תגובתי ומין חנקן אשר גורם אפופטוזיס בתאי סרטן, בעוד רכיב השתלה פיזית מסיר רקמת דלקת ריאות.

ניקוי פנים והכנות

פלסמה Ablation היא שיטה ללא פתרון להסרת contaminants אורגני, תחמוצות, וסרטים דקים משטחים לפני אג"ח, ציור, או ציפוי. המין האנרגטי לשבור contaminants לתוך שברים תנודתיים אשר מוחלים. בהשוואה לניקוי כימי, פלזמה אינה משאירה שאריות ויכולה לטפל ביצרנים מורכבים של גיאוגרפיה לשימוש אווירי חמצן כדי לנקות את הפלסמה.

כיוונים עתידיים ומחקר

מחקר מתמשך נועד להרחיב את היכולות של פלזמה בכיוון מבטיח אחד הוא השימוש של למידת מכונה כדי מודל אינטראקציות מורכבות, לא לינארי בין פרמטרים פלזמה לתגובה חומרית. אבחון אופטי בזמן אמת (למשל, ספקטרוסקופיה פליטה, אינטרפרומטריה) יחד עם לולאות בקרה אדפטיבית יכול להשיג עקביות חסרת תקדים וקטנות באמצעות חישוב.

אזור פעיל נוסף הוא פיתוח של מקורות פלזמה ניידים, בעלי כוח נמוך ליישומים בשטח - לדוגמה, תיקון מבנים מורכבים על מטוסים או ביצוע הליכים כירורגיים בהגדרות המוגבלות משאבים.התקדמות באספקת כוח מוצקה המדינה וגאומטריה של מיקרו-דיסק-דיסק-טעינה מביאים את זה קרוב יותר למציאות.

לבסוף, דחיפה לעבר ייצור ירוק היא מאמץ להחליף את ההשמדה הכימית הרעילה עם שיבוש מבוסס פלזמה. כימאים ללא פלואורין (למשל, שימוש ב- CO2 או N2) נחקרים לעיבוד סיליקון ומתכת, בעוד פלזמות מים מראים הבטחה להסרת זיהום ביולוגי.

מסקנה

(הפיזיקה מאחורי פיזור פלזמה היא צומת עשיר של מדע פלזמה, תרמודינמיקה חומרית, דינמיקות נוזלית.המאסטרים של יחסי ההקצאה, העברת אנרגיה ומנגנוני הסרת חומרים מאפשרים למהנדסים לרתום תהליך זה למשימות החל מאוסף Transistors רחב כדי להסיר גידולים בגוף האדם: כביקוש לדיוק וקיימות, הפלזמה ללא ספק תישאר אבן דרך של חומרים מודרניים: 1F)