Giới thiệu về phóng điện trong chất khí

Hiện nay có một số dạng của nguồn plasma hầu hết đều dựa trên sự phóng điện được tạo ra từ dòng điện một chiều (DC), capacitively coupled radiofrequently (rf) (RIE, PECVD), inductively coupled rf (ICP, TCP, Helicon) và sóng cực ngắn (ECR, Surfatron)(♣). Những ứng dụng công nghệ trong việc hình thành plasma từ các nguồn này là rất nhiều như tạo lắng đọng màng mỏng (thin film deposition), quá trình bán dẫn, xửa lý vật liệu (sự điều chỉnh vật lý bề mặt và hoá học bề mặt, sự khử), đèn, nguồn sáng và tấm hiển thị, tạo lắng đọng màng dày, bảo quản xử lý rác và phân tích vật liệu.

(♣)

+ RIE, Reactive Ion Etching, sử dụng phản ứng hóa học trong plasma để loại bỏ vật chất lắng đọng trên các tấm bán dẫn. Plasma được tạo ra dưới áp suất thấp (chân không) bởi một trường điện từ. Các ion năng lượng cao từ plasma tác động vào bề mặt tấm bán dẫn và phản ứng với nó.

Sơ đồ thiết lập một bộ RIE thông thường. Bao gồm 2 điện cực (1 và 4) tạo nên điện trường (3) có mục đích gia tốc cho các ion (2) hướng đến bền mặt của vật mẫu (5).

+ PECVD, Plasma-enhanced chemical vapor deposition, là một quá trình được sử dụng để tạo các màng mỏng từ trạng thái khí (hơi) đến một trạng thái rắn trên một chất nền. Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình xảy ra sau khi tạo ra một plasma của khí sử dụng trong phản ứng. Plasma này thường được tạo ra bởi tần số rf (AC), hoặc phóng điện một chiều (DC) giữa hai điện cực, vùng không gian ở giữa được chứa đầy chất khí sử dụng.

PECVD machine at LAAS technological facility in Toulouse, France.

+ ICP, Inductively Coupled Plasma, là một dạng  nguồn tạo plasma trong đó năng lượng được cung cấp bởi các nguồn dòng. Các nguồn dòng được tạo ra bởi sự cảm ứng điện từ với điện trường thay đổi theo thời gian. Có 2 loại ICP về mặt hình học: hình phẳng và hình trụ. Trong loại hình phẳng, điện cực là một cuộn dây kim loại dát mỏng được quấn lại giống như hình xoắn ốc. Trong loại hình trụ, nó giống như một lò xo xoắn. Khi một dòng điện thay đổi theo thời gian đi qua cuộn dây, nó tạo ra một từ trường thay đổi theo thời gian xung quanh nó, từ đó gây ra các dòng điện cùng phương vị trong khí “loãng”, dẫn đến đánh thủng và hình thành plasma. Argon (Ar) là ví dụ của một chất khí loãng thường được sử dụng với nhiệt độ plasma khoảng 5000 độ C.

Hình ảnh về sự phân tích ICP được quan sát thông qua tấm gương xanh (của thợ hàn)

+ TCP, Two Component Plasma, một plasma bao gồm thành phần nhiệt “mát” và mật độ các hạt có naăg lượng cao.

Electron-hole (a) and electron-electron (b) pair correlation function for the two-component plasma (dashed lines) and the excitonic insulator (solid lines) at r_s=2.0 from a VMC calculation by Gavin Brown.

+ Helicon, là sóng điện từ ở tần số thấp. Hiện tượng phóng điện Helicon là một sự kích thích của plasma bằng sóng Helicon gây ra thông qua nhiệt tần số vô tuyến. Sự khác biệt giữa một nguồn plasma Helicon và một plasma đi cùng với sự cảm ứng là sự hiện diện của một từ trường hướng dọc theo trục của ăng ten. Sự hiện diện của từ trường tạo ra một chế độ Helicon hoạt động có hiệu quả ion hóa cao hơn và mật độ điện tử lớn hơn một ICP điển hình. Đại học Quốc gia Úc tại Canberra hiện đang nghiên cứu ứng dụng cho công nghệ này. Một động cơ ion phát triển theo hướng thương mại gọi là VASIMR cũng sử dụng phóng điện Helicon cho việc tạo ra plasma trong động cơ của nó.

MadHeX Helicon Plasma Facility

+ ECR, Electron Cyclotron Resonance, cộng hưởng cyclotron điện tử là một hiện tượng đã được quan sát cả trong vật lý plasma và vật lý chất ngưng tụ. Một electron trong từ trường tĩnh và đồng nhất sẽ di chuyển trong một vòng tròn do lực Lorentz. Các chuyển động tròn có thể được chồng với một chuyển động dọc trục đồng nhất, dẫn đến xoắn, hoặc với một chuyển động đồng nhất vuông góc với điện trường, ví dụ, trong sự hiện diện của điện trường hay lực hấp dẫn, kết quả là một đường xiclotron.

+ Surfatron, là tên của máy gia tốc hạt thử nghiệm, sử dụng gia tốc plasma để tạo ra các phép đo electronvolt rất cao trên một khoảng cách ngắn hơn đáng kể so với các máy gia tốc truyền thống.

Example of surface plasma generated with the waveguide surfatron in 15 mBar Argon using a microwave power of 250 W and 5 W respectively.