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Niederdruckplasma Ein ist ein Plasma in dem der Druck erheblich niedriger als der Erdatmosphärendruck ist Niederdruckpla

Niederdruckplasma

Ein Niederdruckplasma ist ein Plasma, in dem der Druck erheblich niedriger als der Erdatmosphärendruck ist. Niederdruckplasmen zählen zu den nichtthermischen Plasmen.

Schema einer Niederdruckplasmaanlage

Typische technische Niederdruckplasmen werden im Druckbereich weniger Pascal betrieben, also bei Drücken, die um einen Faktor 10.000 geringer sind als der normale Luftdruck. Typisch für Niederdruckplasmen ist eine mittlere freie Weglänge der Elektronen, die größer als die Debye-Länge ist.

Natürliches Vorkommen Bearbeiten

Niederdruckplasmen kommen im Weltall in leuchtenden Gasnebeln vor. Polarlichter können als Niederdruckplasmen bezeichnet werden.

Technische Anwendungen Bearbeiten

Niederdruckplasmen sind unverzichtbare Mittel bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente (zum Beispiel durch Plasmaätzen oder Sputtern).

Ferner werden Niederdruckplasmen zu einer Vielzahl von Beschichtungsaufgaben eingesetzt. Beispiele sind:

  • Konsumgüterindustrie: Lipgloss-Applikator, Spielzeug für Kinder, Besteckkörbe, Hörgeräte, Kugelschreiber, Zahnbürste
  • Medizintechnik: Katheter, Petrischale, Pipettenspitzen, Stents, Zahnimplantat
  • Textilindustrie: Garn, Stoffe, Schuhsohlen
  • Uhren- und Schmuckindustrie: Zifferblatt, Schmuckstein
  • Optik: Brillen, Objektive, Intraocularlinsen
  • Automobiltechnik: Scheinwerfer, Spiegel, Lenkrad
  • Werkzeuge: Gehärtete Oberflächen
  • Verpackungsindustrie: Folien
  • Getränketechnologie: Innenbeschichtung von PET-Flaschen mit Siliziumdioxid oder Titanpentoxid.
  • Plasmamedizin: Sterilisation medizinischer Instrumente, insbesondere wärme- und feuchtigkeitssensible Geräte wie zum Beispiel Endoskope
  • Elektrotechnik: amorphe Silizium-Solarzellen, Dünnschichttransistor-Bildschirme, Piezoelemente

Eine weitere Anwendung von Niederdruckplasmen ist die Veredelung von Oberflächen. Setzt man beispielsweise Zirkoniumdioxid (ein keramisches Material) einem Methan-Plasma aus, so werden bis zur Tiefe von einigen Mikrometern die Sauerstoffatome durch Kohlenstoff ersetzt. Das entstandene Zirkoniumkarbid ist silbrig glänzend und ebenso kratzfest wie das weiße Zirkoniumdioxid.

Bei dem Plasma-Ätzen von PTFE wird Material von der Oberfläche mittels eines Wasserstoff-Plasmas abgetragen. Die Behandlung erfolgt unter einem bestimmten Druck in einer Vakuumkammer, wo es zu einer elektrischen Anregung von Wasserstoffgas kommt. Das PTFE wird an der Oberfläche vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand umgewandelt und kann somit von der Vakuumpumpe einfach abgesaugt werden. Nach der Plasmabehandlung ist es möglich, das zuvor inerte PTFE zu verkleben, umspritzen, lackieren oder bedrucken. Das Plasmaverfahren ersetzt hier das nasschemische ätzen von Fluorpolymeren.

Charakteristische Eigenschaften Bearbeiten

Bei Niederdruckplasmen ist infolge des niedrigen Drucks die typische mittlere freie Weglänge so groß, dass Stoßprozesse „selten“ sind. Entsprechend sind die unterschiedlichen Teilchensorten (Schwerteilchen, Elektronen) nicht im thermischen Gleichgewicht, d. h. besitzen unterschiedliche Temperaturen.

Bei technischen Niederdruckplasmen werden über selektive Heizung der Elektronen Elektronentemperaturen von einigen Elektronenvolt (mehreren 10.000 K) erreicht, während die Temperatur des Neutralgases wenig über Zimmertemperatur liegt. Dadurch können auch thermisch sensible Materialien wie Kunststoffe mittels Niederdruckplasmen bearbeitet werden.

Wesentlichen Anteil an den technologisch verwertbaren Eigenschaften haben die Plasma-Randschichten, also der Übergangsbereich vom Plasma zur Wand oder zum Werkstoff.

Anregung Bearbeiten

Die Anregung des Niederdruckplasmas kann mit verschiedenen Frequenzen umgesetzt werden. Je nach Anwendung und Problemstellung wird eine andere Anregung verwendet. Die häufigsten Frequenzen sind: 40–100 kHz (Langwellenanregung), 13,56 MHz (Kurzwellenanregung, RFID-Band) und 2,45 GHz (Mikrowellenanregung, WLAN-Band). Meistens eine Frequenz aus einem der allgemein zugeteilten ISM- bzw. SRD-Bänder genutzt, da sonst eine eigene Zuteilung bzw. Lizenz bei der Frequenzverwaltung erforderlich ist.

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Gerhard Franz: Oberflächentechnologie mit Niederdruckplasmen. Beschichten und Strukturieren in der Mikrotechnik. 2., völlig neubearb. Aufl. Springer, Berlin u. a. 1994, ISBN 3-540-57360-7.
  • Michael A. Lieberman und Allan J. Lichtenberg: Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. Wiley, New York u. a. 1994, ISBN 0-471-00577-0.
  • Alfred Grill: Cold Plasma in Materials Fabrication. From Fundamentals to Applications. IEEE Press, New York 1994, ISBN 0-7803-4714-5.

Weblinks Bearbeiten

  • Holger Kersten: (PDF, 346 kB) Archiviert vom Original am 31. März 2010; abgerufen am 31. März 2009.
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Ein Niederdruckplasma ist ein Plasma in dem der Druck erheblich niedriger als der Erdatmospharendruck ist Niederdruckplasmen zahlen zu den nichtthermischen Plasmen Schema einer NiederdruckplasmaanlageTypische technische Niederdruckplasmen werden im Druckbereich weniger Pascal betrieben also bei Drucken die um einen Faktor 10 000 geringer sind als der normale Luftdruck Typisch fur Niederdruckplasmen ist eine mittlere freie Weglange der Elektronen die grosser als die Debye Lange ist Inhaltsverzeichnis 1 Naturliches Vorkommen 2 Technische Anwendungen 3 Charakteristische Eigenschaften 4 Anregung 5 Siehe auch 6 Literatur 7 WeblinksNaturliches Vorkommen BearbeitenNiederdruckplasmen kommen im Weltall in leuchtenden Gasnebeln vor Polarlichter konnen als Niederdruckplasmen bezeichnet werden Technische Anwendungen BearbeitenNiederdruckplasmen sind unverzichtbare Mittel bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente zum Beispiel durch Plasmaatzen oder Sputtern Ferner werden Niederdruckplasmen zu einer Vielzahl von Beschichtungsaufgaben eingesetzt Beispiele sind Konsumguterindustrie Lipgloss Applikator Spielzeug fur Kinder Besteckkorbe Horgerate Kugelschreiber Zahnburste Medizintechnik Katheter Petrischale Pipettenspitzen Stents Zahnimplantat Textilindustrie Garn Stoffe Schuhsohlen Uhren und Schmuckindustrie Zifferblatt Schmuckstein Optik Brillen Objektive Intraocularlinsen Automobiltechnik Scheinwerfer Spiegel Lenkrad Werkzeuge Gehartete Oberflachen Verpackungsindustrie Folien Getranketechnologie Innenbeschichtung von PET Flaschen mit Siliziumdioxid oder Titanpentoxid Plasmamedizin Sterilisation medizinischer Instrumente insbesondere warme und feuchtigkeitssensible Gerate wie zum Beispiel Endoskope Elektrotechnik amorphe Silizium Solarzellen Dunnschichttransistor Bildschirme PiezoelementeEine weitere Anwendung von Niederdruckplasmen ist die Veredelung von Oberflachen Setzt man beispielsweise Zirkoniumdioxid ein keramisches Material einem Methan Plasma aus so werden bis zur Tiefe von einigen Mikrometern die Sauerstoffatome durch Kohlenstoff ersetzt Das entstandene Zirkoniumkarbid ist silbrig glanzend und ebenso kratzfest wie das weisse Zirkoniumdioxid Bei dem Plasma Atzen von PTFE wird Material von der Oberflache mittels eines Wasserstoff Plasmas abgetragen Die Behandlung erfolgt unter einem bestimmten Druck in einer Vakuumkammer wo es zu einer elektrischen Anregung von Wasserstoffgas kommt Das PTFE wird an der Oberflache vom festen in den gasformigen Aggregatzustand umgewandelt und kann somit von der Vakuumpumpe einfach abgesaugt werden Nach der Plasmabehandlung ist es moglich das zuvor inerte PTFE zu verkleben umspritzen lackieren oder bedrucken Das Plasmaverfahren ersetzt hier das nasschemische atzen von Fluorpolymeren Charakteristische Eigenschaften BearbeitenBei Niederdruckplasmen ist infolge des niedrigen Drucks die typische mittlere freie Weglange so gross dass Stossprozesse selten sind Entsprechend sind die unterschiedlichen Teilchensorten Schwerteilchen Elektronen nicht im thermischen Gleichgewicht d h besitzen unterschiedliche Temperaturen Bei technischen Niederdruckplasmen werden uber selektive Heizung der Elektronen Elektronentemperaturen von einigen Elektronenvolt mehreren 10 000 K erreicht wahrend die Temperatur des Neutralgases wenig uber Zimmertemperatur liegt Dadurch konnen auch thermisch sensible Materialien wie Kunststoffe mittels Niederdruckplasmen bearbeitet werden Wesentlichen Anteil an den technologisch verwertbaren Eigenschaften haben die Plasma Randschichten also der Ubergangsbereich vom Plasma zur Wand oder zum Werkstoff Anregung BearbeitenDie Anregung des Niederdruckplasmas kann mit verschiedenen Frequenzen umgesetzt werden Je nach Anwendung und Problemstellung wird eine andere Anregung verwendet Die haufigsten Frequenzen sind 40 100 kHz Langwellenanregung 13 56 MHz Kurzwellenanregung RFID Band und 2 45 GHz Mikrowellenanregung WLAN Band Meistens eine Frequenz aus einem der allgemein zugeteilten ISM bzw SRD Bander genutzt da sonst eine eigene Zuteilung bzw Lizenz bei der Frequenzverwaltung erforderlich ist Siehe auch BearbeitenGlimmentladung PlasmaindikatorLiteratur BearbeitenGerhard Franz Oberflachentechnologie mit Niederdruckplasmen Beschichten und Strukturieren in der Mikrotechnik 2 vollig neubearb Aufl Springer Berlin u a 1994 ISBN 3 540 57360 7 Michael A Lieberman und Allan J Lichtenberg Principles of Plasma Discharges and Materials Processing Wiley New York u a 1994 ISBN 0 471 00577 0 Alfred Grill Cold Plasma in Materials Fabrication From Fundamentals to Applications IEEE Press New York 1994 ISBN 0 7803 4714 5 Weblinks BearbeitenHolger Kersten Vorlesungsmanuskript uber Gasentladungsphysik PDF 346 kB Archiviert vom Original am 31 Marz 2010 abgerufen am 31 Marz 2009 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Niederdruckplasma amp oldid 200153244