aplicações de física e química de plasmas

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
LABORATÓRIO DE PLASMAS E PROCESSOS (LPP)
DEP. DE FÍSICA
I EVFITA - 2006
APLICAÇÕES DE FÍSICA E
QUÍMICA DE PLASMAS:
PESQUISAS DESENVOLVIDAS
NO ITA
Prof. Dr. Homero Santiago Maciel
E-mail: [email protected]
Plasma Research: From Nature to the Market
Plasma Research: From Nature to the Market
Plasma is by no means a
human invention. It is found in
the stars - including our Sun,
in the tails of comets, and in
flashes of lightning. The
Northern Lights, too, are a
plasma phenomenon. The
word ‘plasma‘ comes from the
Greek and means ‘form‘ or
‘shape‘, but also ‘that which is
formed‘. Incidentally, the
cellfree fluid of the blood and
also a semiprecious stone, a
type of jasper, also bear the
name ‘plasma‘. Technical
plasmas today find a wide
range of applications in the
most diverse branches of
manufacturing, including the
production of many modern
household objects. These
manifold applications owe
their existence to intensive
research and development
work in this young field of
technology.
Plasma Research: From Nature to the Market
DC ARC REGIMES: Thermal and Nonthermal
10-5 10-4
10-3
10-2
Te
103
Tg
102
10-3 10-2
10-1
Room Temperature
1
1
102
T̉′(eV)
10 eV
p, Torr
Thermal arc
Nonthermal arc
104
10-1
101
One atmosphere
T (ºK)
105
102 103
1 eV
0.1 eV
0.01 eV
104 p, Torr
The operation of arcs as function of pressure
Densities and energies for various
species in a typical cold plasma
1016
Etch
gas
Etch
product
η
(cm-3)
Free
radicals
1012
Plasma
ions
108
10-2
Plasma
electrons
1
T or (ε) (V)
Bombarding
ions
102
Types of plasma processes for different
ranges of gas pressure
Log pressure (torr)
+3
Plasma Spray
TPCVD
Plasma Metallurgy
atmosphere
Plasma Sintering
+2
Chemistry
Thermal Processes
0
Plasma Deposition
Plasma Polymerization
-1
Chemical Etching
Ion-assisted damage etching
Inhibitor Ion-enhanced etching
-2
Sputter Etching
-3
Plasma Source
Ion Implantation
-4
Physical
to
Chemical
to
Thermal
Gas Temperature X Electron Temperature
Densities of charge species
Densities
Oxygen
species
in theofplasma
discharges
in the plasma discharge
Gas Temperature (ºC)
100000
10000
Source
Plasma
-3-3
))
density
Plasma density(cm
(cm
Source
8
13
Low-pressure
O+, O2+, O-10 O-10
O3
discharge
1614
Low-pressure
10
Arc and plasma
10
-1019
<1010
10
10
discharge torch
Arc and plasma
1015
1015 <1016
10912
-1013 18
torch Corona
10
10
10
10
Corona
10
12
1018
10
10
Dielectric
barrier
12
15
Dielectric barrier
10 -10
Plasma jet
discharge1012
1016
1016
arc
1000
Dielectric barrier
100
corona
Plasma jet
10
0
2
4
Low pressure
6
8
Plasma jet
10
Electron Temperature (eV)
Comparison of the gas and electron temperatures for different
atmospheric-pressure plasmas versus low-pressure plasmas.
1011-1012
Diversity of applications:
National
Defense
Automobiles
Aerospace
Optics
Biomedicine
Computers
Technological
Applications of
plasmas
Waste
Management Paper
Solar
Energy
Telecommunications
Textiles
Plasma characteristics of industrial interest
1. Plasma can have temperature and energy densities higher than can be
achieved by any chemical or other means.
2. Plasma can produce energetic active species which initiate physical changes
or chemical reaction that could hardly occur in ordinary chemical reaction.
Plasma in micro-fabrication
0.2 μm
For
microfabrication
of
an
Integrated Circuit, 30% - 50%
of the tens to hundreds of
silicon
fabrication steps are typically
plasma-based.
Plasmas technologies in integrated circuit
fabrication: etching, deposition, cleaning and stripping
Integrated Circuit, or die, for
Motorola’s
Power
microprocessor
has
PC
620
nearly
seven million transistor.
Modern Pentium chip: 500 million
micron sized transistors,
capacitors,
resistors and diodes formed in a Si
substrate.
Plasma Gasification of MSW
Heat Source
Conventional combustion
Plasma torch heating
Thermal Plasma Reactor
Rectifier
Cooling tower
TORCH
Waste feed
50%
20000 0C
GAS
N2
20% H2
30% CO
Melted
slag
•
•
•
•
•
•
Contaminated soils
Solid and liquid organic wastes
Ash
Hazardous metal wastes
Industrial wastes
Hospital wastes
Grupo de Plasma do ITA
Pesquisadores:
Estudantes de Doutorado:
Homero Santiago Maciel – PhD
Edson de Aquino Barros – MSc em Fí
Física
Choyu Otani – Dr em Fí
Física
Alberto Carlos Pereira Filho – MSc em Fí
Física
Marcos Massi – Dr em Eng. Elé
Elétrica
Léa Nogueira Nishioka – MSc em Eng
Gilberto Petraconi Filho – Dr em Fí
Física
Maria Margareth da Silva – MSc em Eng
Wilfredo Irrazabal Urruchi – Dr em Fí
Física
Maciel Guerino – MSc em Eng
Marisa Roberto – Dr em Fí
Física
Rodrigo Sá
Sávio Pessoa – MSc em Fí
Física
Jorge Carlos Narciso Dutra – Dr em Eng.*
Luis Fernando Q. P. Marchesi – MSc em Eng
Maria Antônia – Dr em Eng – Pós Doutoranda **
Mariana Amorim Fraga – MSc em Eng
Ivo de Castro Oliveira – Dr em Eng
Kornely Grigorov – Dr em Eng *** (Pesq
(Pesq.. Visitante)
Estudantes de Mestrado:
Alexei M. Essiptchouk – Dr em Eng – Pós Doutoran
Gilberto Murakami
Leonid I. Charakhovski – Dr em Eng – Pós Doutorando
Samir Munir Rajab
Fernando Fernandes Pereira
Estudantes Iniciação Científica:
Fernando Marques Freitas
Caio Marques Fontenele
Jossano Mancuso
Martha Priscilla M. Torres
Daniela Genovesi
André
André Carlos Fraile Junior
Janilo Saraiva
Lucas Gurgel
12 pesquisadores
22 estudantes
Joana Heller de Moraes
Maurí
Maurício Roque de Brito
Helson Toku
* AMR/CTA
** IPT
*** Cooperação com
Academia Bulgara de Ciências
Colaborações Acadêmicas
¾ USP - LSI
¾ IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas
¾ CTA - IAE
¾ CTA - IEAv
¾ INPE - LAS, LAP
¾ UFMG - Instituto de Física
¾ UNICAMP - Lab. Plasmas Industriais
¾ Academia Búlgara de Ciências
¾ Université de Nantes - França
LPP - LABORATÓRIO DE PLASMAS E
PROCESSOS
Áreas de Investigações em Física e Tecnologias de
Plasmas
• Desenvolvimento de reatores a plasmas frios
• Estudo de fenômenos não-lineares em plasmas
• Jatos de plasmas e feixes de partículas carregadas
• Plasmas para processos de microeletrônica
• Modelagem e simulação numérica em plasmas frios
• Tratamento de materiais, deposição e corrosão a plasma
• Descarga a barreira dielétrica para geração de ozônio
• Tecnologias de aplicação do ozônio
• Combustão assistida por plasma
• Reformação por plasmas (geração de gás de síntese, hidrogênio)
•Jatos de plasmas térmicos para simulação de ambiente de
reentrada
Infraestrutura
¾ Reatores para estudos e processos por plasmas frios: magnetron
sputtering, plasma etching, jato de plasma, catodo oco, plasma
magnetizado ..... (8 unidades).
¾ 80 kW de potência instalada.
¾ 6 linhas de gases especiais: Ar, N2, O2, H2, CH4 e ar comprimido.
¾ Água filtrada para refrigeração.
¾ Sala limpa classe 10.000, com capela
classe 100 para limpeza de substratos e
processamento de materiais (Processo
FAPESP no. 2000/11058-0).
¾ Laboratório de caracterização: AFM,
microscópio óptico, microbalança.
¾ Oficina mecânica.
¾ Oficina de vidro.
Lab. AFM
Electron Density - ne (1017m-3)
Estudos e diagnóstico do plasma
-6
10
28
2
Vd = 600 V
Argon
Nitrogen
Cathode: Aluminium
P = 13.3 Pa
Vd = 700 V
3,5
3,0
2,5
2,0
d = (2.0 - 7.0) cm
1,5
1,0
0,5
0,27
0,40
0,53
0,67
0,80
0,93
P.d (Pa.m)
10
18
32
12
-9
41
10
-10
10
0
10
20
30
40
50
60
m/z (amu/e)
70
80
90 100
3,4
17,6
16,6
3,0
Gas: Nitrogen
Cathode: Aluminum
Vd = 500 V
2,8
P = 13.3 Pa
d = (2,0 - 7,0) cm
14,5
3,2
15,5
2,6
13,5
2,4
12,4
2,2
11,4
2,0
B=0
B = 9 mT
1,8
1,6
0,27
0,40
0,53
0,67
P.d (Pa.m)
0,80
10,4
9,3
8,3
0,93
Vp - Vf (V)
44
14
-8
10
Electron Temperature - Te (eV)
-7
Partial Pressure (Pa)
4,0
Estudos e diagnóstico do plasma
Diagrama
esquemático
da fonte de
catodo oco
magnetron e
foto.
Discharge Current (mA)
240
210
180
Gas: Argon
Cathode: Aluminium
Pressure:
0,7 Pa
0,08 Pa
150
120
hollow cathode magnetron
90
60
30
0
planar magnetron
180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380
Discharge Voltage (V)
Plasma de alta densidade -
Descarga em regime de arco à baixa pressão
Diagrama Esquemático do Aparato Experimental
360
Tensão de descarga - Vd (V)
Descarga em vapor
de mercúrio e o gás
argônio
Argônio
T = 289 K
-2
p = 6,0 x 10 torr
340
320
300
280
260
240
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
corrente de descarga - Id (A)
3,0
3,5
Vista da Armadilha de Nitrogênio Líquido
Reatores de Processamento de Materiais
Deposição a Plasma de
Filmes Finos de Nitretos
Varredura de
AFM em 3-D da
amostra AlN-14
registrada em
modo dinâmico.
A rugosidade
quadrática média
é de 0,3 nm.
Métodos de caracterização
¾Microscopia Ótica
¾Microscopia Electrônica de Varredura
¾Microscopia de Força Atômica
¾Espectroscopia Raman
¾Difração de raios X
Deposição a Plasma de Filmes
Finos de Carbono - DLC
Corrosão a Plasma de Filmes
Finos de Carbono - DLC
Filme de carbono tipo diamante
corroído por plasma de oxigênio.
Imagem AFM de filmes de DLC não corroído
(esquerda) e corroído com plasma de O2 /Ar (direita).
Ativação de carbono assistida por plasma
Volume adsrovido (cm3x10 -3)
30
Volume adsrovido (cm3x10 -3)
40
35
30
25
20
15
10
5
25
20
15
10
5
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
diâmetro de poros (nm)
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
diâmetro de poros (nm)
Distribuição de poros obtidos
em diferentes condições
experimentais de plasma de
oxigênio (340 min em fluxo
de 30 e 90 sccm,
respectivamente)
Ativação de carbono
assistida por plasma para
produção de nanoporos
Micrografia de carvão de
Pinus - Ativação física
Túnel de plasma para simulação de condições de
re-entrada
¾ Jatos de plasma
subsonicos/supersonicos.
¾ Pesquisar e desenvolver
métodos de testar materiais
para escudos de proteção
térmica durante a reentrada
atmosférica.
Descarga de Barreira Dielétrica
Aspecto físico de
um gerador de
ozono (capacidade
nominal 25g/h a
concentração de 3
%, utilizando
oxigênio como
matéria-prima)
construído no LPPITA.
Sistema de
Produção de
ozônio
Ar seco
ou
Oxigênio
Refrigeração
Descarga
de Barreira
Dielétrica
Configuração
básica
Ozônio
Sistema de
aplicação
Aplicações do Ozônio
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Tratamento d’água de superfície (lagoas, ETA)
Tratamento d’ água de piscinas
Tratamento de efluentes domésticos e industriais
Esterilização de atmosfera ambiental
Remoção de cores, odores e sabores de água
Industria de alimentos de bebidas
Aplicações na medicina
Agricultura hidropônica
Tratamento d’água de torres de resfriamento
Municipal ozone instalation for
wastewater ozonation
(Piracicaba).
FAPESP -ITA- UNIMEP
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Processos de branqueamento – celulose
Processos de lavanderias (hospitalares)
Degradação de agro tóxicos
Tratamentos de “chorume”
Síntese Química
Industria de microeletrônica
Limpeza de plantas de processos de alimentos
Água para hemodiálise
Aplicação em Odontologia
Efeito da atividade do ozônio nas células das
bactérias totais no efluente doméstico.
Gliding Arc Plasma – Tornado
Combustão Assistida por Fonte de Plasma
Plataforma experimental para produção de gás de
síntese consistindo de unidade laboratorial no ITA,
com instrumentos de leitura para estudos/otimização
de parâmetros e consolidação de equipe.
Gliding Arc Plasma – Tornado
Combustão Assistida por Fonte de Plasma
Aplicação em gaseificação
Parcerias com Empresas
1) Petrobrás / Multivácuo - Projeto Geraplasma
Protótipo Turbina
Estacionária a gás natural
Parcerias com Empresas
2) Petrobrás / Multivácuo - Projeto Peneira Molecular
motor
Esquema do reator industrial para ativação de carbono
Plasma groups in Brazil
RN
SP
SC
ES
RJ
UNICAMP
UFSC
IPT
UDESC
ITA
UFRJ
INPE
UFES
IEAv
UnB
USP
UFRN
UNESP
LUPATECH
ENGEPLASMA
MULTIVÁCUO
CLOROVALE DIAMANTES
<<
>>
UNICAMP
 Tokamak NOVA-UNICAMP (fusion plasma)
Grupo Fusão
<<
>>
FÍSICA DE PLASMA X
QUÍMICA DE PLASMA
TECNOLOGIA DE PLASMAS
CONCLUSIONS
1) Plasma technologies, in Brazil, are already mature in
some areas of plasma applications:
ion-nitriding, thermal plasma waste remediation, ozone generators
(DBD), plasma cleaning, plasma sintering, IIIP, electron–ion and
plasma sources, ion thruster for space satellites, materials processing
with thermal and cold plasmas, plasma etching and deposition for
microelectronics.
2) A few small industries already established:
•
•
•
•
thermal plasmas for waste treatment and recycling
plasma cleaning
surface engineering/surface treatment
materials processing
Academy
Proof of principle
---incubation time
Industry
Validated technology
<<
>>
Final Remarks
1) i)Dielectric Barrier Discharge and Gliding Arc- nonthermal plasma applications are expanding faster than any
other kind of plasma, at the moment:
• Non-thermal (not in equilibrium) high pressure plasma
• Low temperature plasma gas
• Low cost
2) Technological plasma not explored yet, in Brazil:
• Dense Plasma Focus (dense magnetized plasma) source of soft
and hard X-Ray, source of energetic electron/ion or plasma
streams, neutron sources, etc
• corona discharges
<<
>>