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: homero@ita.br

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