APLICAÇÕES DE FÍSICA E QUÍMICA DE PLASMAS ... -...
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APLICAÇÕES DE FÍSICA E QUÍMICA DE PLASMAS:
PESQUISAS DESENVOLVIDAS NO ITA
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICALABORATÓRIO DE PLASMAS E PROCESSOS (LPP) DEP. DE FÍSICA
Prof. Dr. Homero Santiago Maciel
E-mail: [email protected]
I EVFITA - 2006
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
Plasma Research: From Nature to the Market
10-3 10-2 10-1 1 101 102 103 104
10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 102 10 eV
p, Torr
p, Torr
0.01 eV
0.1 eV
1 eV
102
103
104
105
T (ºK)
Te
TgRoom Temperature
Nonthermal arc Thermal arc
One
atm
osp
her
e
T ̉′(eV)
The operation of arcs as function of pressure
DC ARC REGIMES: Thermal and Nonthermal
10-2 1 102
1012
1016
108
Bombardingions
Plasma electrons
Plasma ions
Free radicals
Etchproduct
Etchgas
T or (ε) (V)
η(cm-3)
Densities and energies for various species in a typical cold plasma
Types of plasma processes for different ranges of gas pressure
+3
+2
0
-1
-2
-3
-4
Log
pres
sure
(tor
r)
ChemistryThermal Processes
Sputter Etching
Ion-assisted damage etchingInhibitor Ion-enhanced etching
Plasma DepositionPlasma Polymerization
Plasma SourceIon Implantation
Plasma Sintering
Plasma SprayTPCVD
Plasma Metallurgy
Chemical Etching
Physical to Chemical to Thermal
atmosphere
0 2 4 6 8 1010
100
1000
10000
100000
Gas
Tem
per
ature
(ºC
)
Electron Temperature (eV)
arc
Dielectric barrier
corona
Plasma jet Low pressure
Comparison of the gas and electron temperatures for differentatmospheric-pressure plasmas versus low-pressure plasmas.
1011-1012Plasma jet
1012-1015Dielectric barrier discharge
109-1013Corona
1016-1019Arc and plasma torch
108-1013Low-pressure discharge
Plasma density (cm-3)
Source
Densities of charge species Densities of charge species in the plasma dischargesin the plasma dischargesDensities of Oxygen species Densities of Oxygen species
in the plasma dischargein the plasma discharge
Source
Low-pressure discharge
Arc and plasma torch
CoronaDielectric barrier
Plasma jet
Plasma density (cm-3)
O+, O2+, O- O O3
1010
1015
1010
1010
1012
1014
1015
1012
1012
1016
<1010
<1016
1018
1018
1016
Gas Temperature X Electron Temperature
Optics
Paper
Telecommunications
TextilesWaste
Management
Computers
TechnologicalApplications of
plasmas
Biomedicine
Automobiles
NationalDefense
Aerospace
SolarEnergy
Diversity of applications:
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 changesor chemical reaction that could hardly occur in ordinary chemical reaction.
Plasma in micro-fabrication
0.2 μm
silicon
For microfabrication of an
Integrated Circuit, 30% - 50%
of the tens to hundreds of
fabrication steps are typically
plasma-based.
Integrated Circuit, or die, for
Motorola’s Power PC 620
microprocessor has nearly
seven million transistor.
Plasmas technologies in integrated circuit fabrication: etching, deposition, cleaning and stripping
Modern Pentium chip: 500 millionmicron sized transistors, capacitors, resistors and diodes formed in a Si substrate.
Plasma Gasification of MSW
Conventional combustionConventional combustion Plasma torch heatingPlasma torch heating
Heat Source
Rectifier
Cooling tower
TORCH
Melted slag
GAS 20000 0C
50% N2
20% H2
30% CO
Waste feed
Thermal Plasma Reactor
• Contaminated soils• Solid and liquid organic wastes• Ash• Hazardous metal wastes• Industrial wastes• Hospital wastes
Pesquisadores:Pesquisadores:Homero Santiago Maciel Homero Santiago Maciel –– PhDPhD
ChoyuChoyu OtaniOtani –– Dr em FDr em Fíísicasica
Marcos Marcos MassiMassi –– Dr em Eng. ElDr em Eng. Eléétricatrica
Gilberto Gilberto PetraconiPetraconi Filho Filho –– Dr em FDr em Fíísicasica
WilfredoWilfredo IrrazabalIrrazabal UrruchiUrruchi –– Dr em FDr em Fíísica sica
Marisa Roberto Marisa Roberto –– Dr em FDr em Fíísica sica
Jorge Carlos Narciso Dutra Jorge Carlos Narciso Dutra –– Dr em Eng.*Dr em Eng.*
Maria Antônia Maria Antônia –– Dr em Eng Dr em Eng –– PPóós Doutoranda **s Doutoranda **
Ivo de Castro Oliveira Ivo de Castro Oliveira –– Dr em EngDr em Eng
KornelyKornely Grigorov Grigorov –– Dr em Eng *** (Dr em Eng *** (PesqPesq. Visitante). Visitante)
Alexei M. Alexei M. EssiptchoukEssiptchouk –– Dr em Eng Dr em Eng –– PPóós s DoutoranDoutoran
LeonidLeonid I. I. CharakhovskiCharakhovski –– Dr em Eng Dr em Eng –– PPóós Doutorandos Doutorando
Estudantes de Doutorado:Estudantes de Doutorado:Edson de Aquino Barros Edson de Aquino Barros –– MScMSc em Fem Fíísicasica
Alberto Carlos Pereira Filho Alberto Carlos Pereira Filho –– MScMSc em Fem Fíísicasica
LLééaa Nogueira Nogueira NishiokaNishioka –– MScMSc em Engem Eng
Maria Margareth da Silva Maria Margareth da Silva –– MScMSc em Engem Eng
Maciel Maciel GuerinoGuerino –– MScMSc em Engem Eng
Rodrigo SRodrigo Sáávio Pessoa vio Pessoa –– MScMSc em Fem Fíísicasica
Luis Fernando Q. P. Luis Fernando Q. P. MarchesiMarchesi –– MScMSc em Engem Eng
Mariana Amorim Fraga Mariana Amorim Fraga –– MScMSc em Engem Eng
* AMR/CTA* AMR/CTA
** IPT** IPT
Grupo de Plasma do ITA
Estudantes de Mestrado:Estudantes de Mestrado:Gilberto Gilberto MurakamiMurakami
Samir Munir Samir Munir RajabRajab
Fernando Fernandes PereiraFernando Fernandes Pereira
Fernando Marques FreitasFernando Marques Freitas
JossanoJossano MancusoMancuso
Daniela Daniela GenovesiGenovesi
Joana Heller de MoraesJoana Heller de Moraes
MaurMauríício Roque de Britocio Roque de Brito
HelsonHelson TokuToku
Estudantes IniciaEstudantes Iniciaçção Cientão Cientíífica:fica:Caio Marques Caio Marques FonteneleFontenele
Martha Martha PriscillaPriscilla M. TorresM. Torres
AndrAndréé Carlos Carlos FraileFraile JuniorJunior
JaniloJanilo SaraivaSaraiva
Lucas GurgelLucas Gurgel
12 pesquisadores22 estudantes
*** Coopera*** Cooperaçção com ão com Academia Academia BulgaraBulgara de Ciênciasde Ciências
USP - LSI
IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas
CTA - IAE
CTA - IEAv
INPE - LAS, LAP
UFMG - Instituto de Física
UNICAMP - Lab. Plasmas Industriais
Academia Búlgara de Ciências
Université de Nantes - França
Colaborações Acadêmicas
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
Reatores para estudos e processos por plasmas frios: magnetronsputtering, plasma etching, jato de plasma, catodo oco, plasma magnetizado ..... (8 unidades).
80 kW de potência instalada.
6 linhas de gases especiais: Ar, N2, O2, H2, CH4 e ar comprimido.
Água filtrada para refrigeração.
Sala limpa classe 10.000, com capela classe 100 para limpeza de substratos e processamento de materiais (Processo FAPESP no. 2000/11058-0).
Laboratório de caracterização: AFM, microscópio óptico, microbalança.
Oficina mecânica.
Oficina de vidro.
Lab. AFM
Estudos e diagnóstico do plasma
0,27 0,40 0,53 0,67 0,80 0,93
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Cathode: AluminiumP = 13.3 PaVd = 700 Vd = (2.0 - 7.0) cm
Ele
ctro
n D
ensi
ty -
n e (1
017m
-3)
P.d (Pa.m)
Argon Nitrogen
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10010-10
10-9
10-8
10-7
10-6
3214
12
18
228
44
41
Part
ial P
ress
ure
(Pa)
m/z (amu/e)
Vd = 600 V
0,27 0,40 0,53 0,67 0,80 0,931,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4Gas: NitrogenCathode: AluminumVd = 500 VP = 13.3 Pad = (2,0 - 7,0) cm
Ele
ctro
n T
empe
ratu
re -
T e (e
V)
P.d (Pa.m)
B = 0 B = 9 mT
8,3
9,3
10,4
11,4
12,4
13,5
14,5
15,5
16,6
17,6
Vp - V
f (V)
Estudos e diagnóstico do plasma
Diagramaesquemáticoda fonte de catodo ocomagnetron e foto.
180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380
0
30
60
90
120
150
180
210
240
Gas: ArgonCathode: Aluminium Pressure:
0,7 Pa 0,08 Pa
planar magnetron
hollow cathode magnetron
Dis
char
ge C
urre
nt (m
A)
Discharge Voltage (V)
Plasma de alta densidade -Descarga em regime de arco à baixa pressão
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5240
260
280
300
320
340
360
Tens
ão d
e de
scar
ga -
V d (V)
corrente de descarga - Id (A)
ArgônioT = 289 Kp = 6,0 x 10-2 torr
Vista da Armadilha de Nitrogênio Líquido
Diagrama Esquemático do Aparato Experimental
Descarga em vapor de mercúrio e o gás
argônio
Reatores de Processamento de Materiais
DeposiDeposiçção a Plasma de ão a Plasma de Filmes Finos de Filmes Finos de NitretosNitretos
DeposiDeposiçção a Plasma de Filmes ão a Plasma de Filmes Finos de Carbono Finos de Carbono -- DLCDLC
Varredura de AFM em 3-D da amostra AlN-14 registrada em modo dinâmico. A rugosidade quadrática média é de 0,3 nm.
Microscopia Ótica
Microscopia Electrônica de Varredura
Microscopia de Força Atômica
Espectroscopia Raman
Difração de raios X
Métodos de caracterização
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).
Corrosão a Plasma de Filmes Corrosão a Plasma de Filmes Finos de Carbono Finos de Carbono -- DLCDLC
Ativação de carbono assistida por plasma
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,50
5
10
15
20
25
30
Volu
me
adsr
ovid
o (c
m3x
10 -3
)
diâmetro de poros (nm)0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Vol
ume
adsr
ovid
o (c
m3x
10 -3
)
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)
Micrografia de carvão de Pinus - Ativação física
Ativação de carbono assistida por plasma para produção de nanoporos
Túnel de plasma para simulação de condições de re-entrada
Jatos de plasma subsonicos/supersonicos.
Pesquisar e desenvolver métodos de testar materiais para escudos de proteção térmica durante a reentrada atmosférica.
Descarga de Barreira Dielétrica
Sistema de Produção de ozônio
Aspecto físico de um gerador de ozono (capacidade nominal 25g/h a concentração de 3 %, utilizando oxigênio como matéria-prima) construído no LPP-ITA.
Refrigeração
Descargade BarreiraDielétrica
Ozônio
Sistema de aplicação
Ar secoou
Oxigênio
Configuraçãobásica
Municipal ozone instalation for wastewater ozonation (Piracicaba).
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
• 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.FAPESP -ITA- UNIMEP
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 – TornadoCombustão Assistida por Fonte de Plasma
Aplicação em gaseificação
Gliding Arc Plasma – TornadoCombustão Assistida por Fonte de Plasma
Parcerias com Empresas
Protótipo Turbina Estacionária a gás natural
1) Petrobrás / Multivácuo - Projeto Geraplasma
Parcerias com Empresas
2) Petrobrás / Multivácuo - Projeto Peneira Molecular
motor
Esquema do reator industrial para ativação de carbono
>><<
Plasma groups in Brazil
UNICAMP
IPT
ITA
INPE
IEAv
SC
SP
UFSC
USP
UNESPRJ
UDESC
UFRJ
UFRN
RN
ES
CLOROVALE DIAMANTES
UFES
LUPATECH ENGEPLASMA
MULTIVÁCUO
UnB
>><<
UNICAMP
Tokamak NOVA-UNICAMP (fusion plasma)
Grupo FusãoGrupo Fusão
FÍSICA DE PLASMA X QUÍMICA DE PLASMA
TECNOLOGIA DE PLASMAS
>><< >><<
CONCLUSIONS
2) A few small industries already established:
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.
1) Plasma technologies, in Brazil, are already mature in some areas of plasma applications:
• thermal plasmas for waste treatment and recycling•• plasma cleaning • surface engineering/surface treatment•• materials processing
Academy IndustryProof of principle ---incubation time Validated technology
>><< >><<
Final Remarks
1) i)Dielectric Barrier Discharge and Gliding Arc- non-thermal 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