Bài thuyết trình vật lý ứng dụng ứng dụng của plasma nhiệt độ thấp

PHÂN LOẠI• Plasma nhiệt độ thấp có nhiệt độ trong khoảng 3000-70000K, thường được sử dụng trong đèn huỳnh quang, ống phóng điện tử, tivi plasma… • Plasma nhiệt độ cao có nhiệt độ lớn hơ

Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên

Tô Lâm Viễn Khoa

Nguyễn Đỗ Minh Quân

Phạm Văn Thịnh

1

Lê Khắc Tốp

ĐỊNH NGHĨA PLASMA

Plasma là một khí chuẩn (giả) trung hòa về điện,

trong đó bao gồm các hạt mang điện, kể cả các hạt

trung hòa, các hạt này mang tính tập hợp Các

điều kiện tồn tại plasma

+ Giả trung hòa về điện

Z

e , i

n

e , i 0

+ Bán kính Debeye phải nhiều lần nhỏ hơn kích

thước của miền chứa tập hợp

D<<L

PHÂN LOẠI

• Plasma nhiệt độ thấp có nhiệt độ

trong khoảng 3000-70000K, thường được sử dụng trong đèn huỳnh quang, ống phóng điện tử, tivi plasma…

• Plasma nhiệt độ cao có nhiệt độ lớn hơn 70000K, thường gặp ở mặt trời và các ngôi sao, trong phản ứng nhiệt

hạch…

3

TÍNH CHẤT CỦA PLASMA

• Hoạt tính hóa học cao → dùng để thay đổi tính

chất bề mặt mà không ảnh hưởng đến vật liệu khối;

có thể trở thành môi trường phát Laser khí

• Dẫn điện → có thể điều khiển nhiệt độ plasma

HIỆU ỨNG PENNING

Hiệu ứng Penning là ion hóa nguyên tử, phân

tử khí tạp chất do va chạm loại 2 với nguyên tử

siêu bền khí cơ bản

HIỆU ỨNG PENNING

Ví dụ cho 0,1% Ar vào khí phóng điện Ne tinh

khiết có catoth bằng kim loại Mo, thì thế cháy

của nó sẽ giảm từ 115 V Xuống 85 V

Trong phóng điện Ne tinh khiết, tác dụng của

nguyên tử siêu bền xuất hiện trong phản ứng

Ne* + Ne* Ne+ + Ne + e

Nếu cho một khí Ar vào, thì nguyên tử siêu bền Ne*bắt đầu ion hóa do va chạm loại 2 với nguyên tử Artheo phản ứng:

Ne* + Ar Ne + Ar+ + e 8

ĐỊNH LUẬT PASEN

Dưới tác dụng của điện trường mạnh, một

điện tử thoát ra từ catôt sau khi đi được quãng

đường d, ion hóa chất khí do đó ta có số ion

được sinh ra là:

e d 1

Các điện tử này tiếp tục chuyển động đến

Anôt và làm ion hóa chât khí và lại tiếp tục

sinh ra e d 1 ion đập vào catôt và sẽ có

điện tử thứ cấp được sinh ra 2 e d 1 2

10

ĐỊNH LUẬT PASEN

Khi tăng thế giữa hai điện cực thì sẽ tăng nhanh và

e d 1

tiến đến 1 -> không cần tác động bên ngoài, phóng

điện vẫn tồn tại được

12

biệt mà phụ thuộc vào tích pd

ĐỊNH LUẬT PASEN Các phương pháp làm giảm thế mồi Vm

1.Dùng kim loại có công thoát nhỏ làm cathode

2 Dùng hỗn hợp khí Penning

3.Nhờ nguồn tác động bên ngoài: tăng khả năng

phát xạ điện tử và gây ion hóa mạnh ( ví dụ: đốt

nóng cathode, chiếu bức xạ có bước sóng ngắn )

SỰ VA CHẠM

• VA CHẠM ĐÀN HỒI

• VA CHẠM KHÔNG ĐÀN HỒI

15

VA CHẠM ĐÀN HỒI

Va chạm đàn hồi: là loại va chạm không làm biến đổitính chất của hạt Va chạm đàn hồi giữa electron vớiphân tử hay nguyên tử là loại va chạm thường gặp nhất Theo thực nghiệm thì khi năng lượng electron vượt quá vài eV thì tiết diện tán xạ đàn hồi giảm khităng vận tốc hạt

đang chuyển động chậm Nguyên tử hay phân tử

khi mất một electron trở thành ion chậm

An+ + M → A(n-1)+ + M+

An+: ion nhanh có n điện tích

M: nguyên tử hay phân tử khí

A(n-1)+: ion chậm có (n-1) điện tích

Quá trình này có một ý nghĩa là ion có năng

lượng cao có thể biến thành nguyên tử trung hòa và

ion có năng lượng thấp hình thành trong plasma

17

SỰ KÍCH THÍCH VÀ ION HÓA

Hai quá trình kích thích và ion hóa có thể kết hợp tùy ý và có

thể xảy ra các phản ứng sau đây:

SỰ TÁI HỢP

Sự tái hợp là quá trình kết hợp giữa ion với electronhay giữa các ion trái dấu để trở thành nguyên tử hayphân tử trung hòa Đây là nguyên nhân làm giảm cáchạt mang điện trong plasma Tái hợp ion đóng vai tròquan trọng trong môi trường áp suất lớn

19

CẤU TẠO

• ỐNG PHÓNG ĐIỆN

• HAI ĐIỆN CỰC

• Starter (“Con chuột”)

• Ballast (Chấn lưu hay Tăng phô):

Nguồn phát electron

21

Nguồn phát electron Lớp

photpho

23

Starter (“Con chuột”)

• cấu tạo gồm một cặp điện cực và một tụ điện Cặpđiện cực được đặt trong một ống thủy tinh bơm đầy khí neon Cặp điện cực và tụ điện được mắc song

song với nhau, hai dây nối được nối ra ngoài với hai nút kim loại Cả ống thủy tinh và tụ điện đều được đặt trong một hộp nhựa hình trụ.

24

Ballast (Chấn lưu hay Tăng phô):

• một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt có thiết kế đặc biệt

HOẠT ĐỘNG

• QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG

• QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN

26

QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG

Hoạt động của Stater

Lúc đầu chưa có hiện tượng phóng điện trong ống

QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN

Khi ta áp một điện thế vào 2 cực của một bóng đèn, phần khí bên trong ống sẽ bị ion hóa Sau khi bị ion hóa, các ion dương sẽ chuyển về hướng cathode, các electron di chuyển về phía Anode Đối với nguồn

xoay chiều thì các ion đổi hướng sau nửa chu kì

Hg

Hg Ar

Tái hợp 28

Hg Ar

Hg

Ar Hg

Ar Ar

Tái hợp 29

LASER KHÍ

• Laser khí là loại ánh sáng laser sinh

ra với tác nhân là ion, phân tử chất khí và các điện tử.

• Tác nhân của laser khí thường ở dạng plasma: chuẩn trung hòa, mật

độ hạt mang điện lớn.

30

Cơ sở: Va chạm không đàn hồi cộng

hưởng loại 2

• Là va chạm trong đó thế năng của hạt trong trạng thái kích thích được chuyển cho hạt khác dưới dạng động năng hoặc thế năng.

• Phương trình: A + B* > A* + B +

ΔE

A B

Sơ đồ

-36

Sơ đồ thực tế

Áp suất trong lòng: xấp xỉ 3,4 đến 4 Torr.

Hiệu điện thế 2 đầu: 220 V - 10 kV gây ra dòng điện khoảng vài mA.

Nhiệt độ trong lúc hoạt động: -25 đến

800C.

Công suất tiêu thụ: 20 mW để sinh ra 1

mW laser.

Nồng độ He-Ne: từ 5:1 đến 20:1

38

CÁC LOẠI LASER KHÍ KHÁC

là nguyên tử He pha tạp với Cd.

tác nhân là các phân tử khí CO2 pha tạp với H2 và N2.

•

ỨNG DỤNG CỦA PLASMA

NHIỆT ĐỘ THẤP

41

PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO HÌNH ẢNH CỦA CÁC

LOẠI MÀN HÌNH

PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO HÌNH ẢNH CỦA CÁC

LOẠI MÀN HÌNH

43

Màn hình

Plasma

Sơ lược lịch sử phát

triển

Cấu tạo của màn hình plasma

Nguyên tắc hoạt động của

màn hình plasma

Ưu nhược điểm

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÀN HÌNH PLASMA

45

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÀN HÌNH PLASMA

Màn hình plasma được Slottow và Bitzer công bố vào

năm 1964

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÀN HÌNH PLASMA

Năm 1967: Tấm nền plasma do kỹ sư Don Bitzer vàGene Slottow tại Đại học Illinois phát triển đã được traogiải Industrial Research 100 - giải thưởng tôn vinh những

47

phát minh quan trọng nhất của năm

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÀN HÌNH PLASMA

Weber giới thiệu mạch duy trì năng lượng mà ông phát triển tại Đại học Illinois Mạch này vẫn được đưa

vào màn hình màu hiện nay

Năm 1986;

SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÀN HÌNH PLASMA

Hãng AT&T (Mỹ) góp công lớn trong việc cải tiến

màn hình plasma Họ sản xuất màn hình 3 điện cựcđầu tiên và công nghệ này được áp dụng cho tất cả

các sản phẩm plasma hiện nay

CẤU TẠO MÀN HÌNH PLASMA

Các ô phóng điện

Điện cực địa chỉ

CẤU TẠO MÀN HÌNH PLASMA

51

cấu trúc thành song song cấu trúc thành WAFFLE

CẤU TẠO MÀN HÌNH PLASMA

Các ô phóng điện

Điện cực địa chỉ

53

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÀN HÌNH PLASMA

 Quá trình phát sáng của một ô

 Cách điều khiển quá trình phát sáng

của một ô

QUÁ TRÌNH PHÁT SÁNG CỦA MỘT Ô

55

Quá trình phát ra tia UV của Xenon

Quá trình phát ra tia UV của Xenon

Cường độ tia UV phát ra theo thời

gian của hỗn hợp khí Xe(10%) - Ne

57

Màu của một điểm ảnh

BaMgAl10O17: Eu2+:(BAM) cho màu xanhdương

Zn2SiO4: Mn2+: chomàu xanh lục

(YGd)BO3:Eu3+ và

Y2O3: Eu3+ : cho màu đỏ.

=>Sự tổng hợp ba màunày với cường độ khácnhau sẽ cho ta màu sắccần hiển thị

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHÁT SÁNG CỦA

59

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH PHÁT SÁNG

CỦA MỘT Ô

ACM (2 điện cực )

Hai cấu trúc

ACC (3 điện cực)

Xung viết (writing pulses)

Quá trình điều khiển Xung duy trì (sustaining pulses)

Xung xóa (erasing pulses)

Điện thế duy trì và điện thế đánh

thủng của hỗn hợp khí Xe-Ne

61

ACC

Đối với cấu trúc ACC

1 Trạng thái ban đầu 2 Phóng điện viết 3 Sau phóng điện viết

4 Phóng điện duy trì lần 1 5 Phóng điện duy trì lần 2 6 Phóng điện xóa

63

ƯU ĐIỂM CỦA MÀN HÌNH

PLASMA

LARGE SIZE THIN LIGHT

WIDE VIEW ANGLE

NHƯỢC ĐIỂM CỦA MÀN HÌNH PLASMA

Tương đối nặng so với LCD

Không có nhiều kích cỡ

Không hoạt động tốt khi lên quá cao

Tuối thọ ngắn hơn LCD (khoảng 30000 giờ)

65

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

67

Bản chất quá trình phún xạ

- Quá trình phún xạ là quá trình

truyền động năng

1 Phún xạ phóng điện một chiều (DC discharge

sputtering)

• Là kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện thế một chiều để gia tốc cho các iôn khí hiếm.

• Bia vật liệu (tuỳ thuộc vào thiết bị mà diện tích của bia nằm trong khoảng từ 10 đến vài trăm centimet vuông) được đặt trên điện cực âm (catốt) trong chuông chân không được hút chân không cao,

sau đó nạp đầy bởi khí hiếm (thường là Ar

hoặc He ) với áp suất thấp (cỡ 10-2mbar)

70

Sơ đồ hệ phóng điện cao áp

một chiều (DC-sputter)

2 Phún xạ phóng điện xoay

chiều (RF discharge sputtering)

• Là kỹ thuật sử dụng hiệu điện thế xoay chiều để gia tốc cho iôn khí hiếm Nó vẫn

có cấu tạo chung của các hệ phún xạ, tuy nhiên máy phát là một máy phát cao tần

sử dụng dòng điện tần số sóng vô tuyến

(thường là 13,56 MHz).

• Vì dòng điện là xoay chiều, nên nó có thể sử dụng cho các bia vật liệu không dẫn điện.

72

Sơ đồ hệ phóng điện cao tần có tụ chặn làm tăng hiệu suất bắn phá ion.

73

3 Phún xạ magnetron

• Là kỹ thuật phún xạ (sử dụng cả với xoay chiều và một chiều) cải tiến từ các hệ phún xạ thông dụng bằng cách đặt bên dưới bia các nam châm

• Từ trường của nam châm có tác dụng bẫy các điện tử và iôn lại gần bia và tăng hiệu ứng iôn hóa, tăng số lần va chạm giữa các iôn, điện tử với các nguyên tử khí tại

bề mặt bia do đó làm tăng tốc độ lắng đọng, giảm sự bắn phá của điện tử và iôn trên bề mặt màng, giảm nhiệt độ đế và có thể tạo

ra sự phóng điện ở áp suất thấp hơn.

4 Các cấu hình phún xạ

khác

• Phún xạ chùm ion : nguồn ion được

thiết kế tách hẳn ra khỏi catôt

• Cấu hình sử dụng đến phân thế trên đế

để kích thích bắn phá ion và quá trình phủ màng

• Phóng điện bằng hỗ trợ ion nhiệt : điện

tử thứ cấp được tăng cường từ sợi vonfram đốt nóng.

75

III PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON

RF TRONG CHẾ TẠO MÀNG MỎNG

• RF ở đây là viết tắt của chữ Radio

Frequency nhưng ý nghĩa của nó ở đây

là năng lượng của quá trình tạo plasma

được cung cấp bởi các dòng điện xoay

chiều cao tần (ở tần số sóng radio từ 2 -

20 MHz)

• Màng mỏng (thin films) tạo bởi kỹ

thuật này có thể bao gồm nhiều vật

liệu khác nhau và màng rất đồng đều.

1 Nguyên tắc hoạt động

• Dòng khí (thường là argon hoặc argon+O2, argon+N2) được bơm vào buồng chân không tạo plasma hình thành các ion Ar+ Các ion này hướng về target (kim loại cần tạo mạng mỏng) được áp thế

âm Các ion này di chuyển với vận tốc cao, bắn phá target và đánh bật các nguyên

tử của target ra khỏi target Các nguyên tử này bay lên và đi đến substrate (thuỷ tinh hay silicon wafer), tích tụ trên substrate và

hình thành màng mỏng khi số

lượng nguyên tử đủ lớn.

77

1 Nguyên tắc hoạt động

t Ar

KhíAr

Ar

t N

S N

78

3 Sơ đồ cấu tạo

Bia (kích thước cỡ 2” hoặc 3”) : Được gắn vào một bản giải nhiệt Bản giải nhiệt được gắn vào cathode.

Đế : Được áp vào điện cực anode

Đế Silicon Đế thủy tinh 82

Một số loại đế dùng trong hệ phún xạ

Đế Ceramic (gốm)

Buồng chân

không

84

Bộ phận tạo chân không

Thường dùng 2 loại bơm :

Chân không phún xạ:

• Chân không tới hạn : 10-7 torr

• Chân không làm việc : 10-2  10-3 torr

Bộ phận Magnetron

Từ trường do một vòng nam châm bên ngoài bao quanh và

khác cực với nam châm ở giữa Chúng được nối với nhau bằng một tấm sắt, có tác dụng khép kín đường sức từ phía dưới

Cấu trúc của một số hệ Magnetron thông thường

88

5 Ưu nhược điểm của phún xạ

Ưu điểm:

• Tất cả các loại vật liệu đều có thể phún

xạ, nghĩa là từ nguyên tố, hợp kim hay hợp chất

• Quy trình phún xạ ổn định, dễ lặp lại và

dễ tự động hóa

• Độ bám dính của màng với đế rất tốt do các nguyên tử đến lắng đọng trên màng có động năng khá cao so với phương pháp baybốc nhiệt

90

91

I, Tạo màng bằng phương pháp PLD

Tạo màng bằng magnetron gặp một số hạn chế

Không thể tạo màng hợp chất 3 thành phần : ABO3

( pero skite ) LaTiO3 , SrTiO3

PLD

PLD : Pulsed Laser Deposition

92

Nguyên tắc

Laser làm bay hơi vật liệu đế và tạo ra plasma Di chuyển của plasma

Lắng đọng của vật liệu bốc bay trên bề mặt

Tạo ra và phát triển màng mỏng trên bề mặt

II, Ứng dụng Plasma trong máy gia tốc dùng laser

Máy gia tốc hiện tại  kích thước lớn

96

Ứng dụng plasma trong máy gia tốc

Nguyên tắc

4GeV – 1 cm

Sơ đồ cấu tạo

98

CẢM ƠN THẦY VÀ

CÁC BẠN !!

100