واژه پلاسما که تا دیروز معرف حالت چهارم ماده بود، خیلی زود توانست مبدل به نامی فراگیر در صنایع درگیر با فرزندان علوم پایه یعنی رشته های مهندسی و پزشکی شود. به طوری که امروزه حتا بیشتر تحقیقات فیزیکدانان پلاسما نه درباره ماهیت آن که در جهت گسترش روش هایی است که نتیجه ی آن در حوزه های کاربردی این علم کارساز می شود. به این ترتیب امروزه کمتر شاخه ای از مهندسی را میتوان پیدا نمود که فرایندهای پلاسمایی در آن کاربرد نداشته باشند.
در این میان مهندسی شیمی با شاخه های گسترده و انشعاب هـای فـراوانش کـه تـامیانه ی سایر رشته ها پیش رفته است، شاید به نوعی بیشتر از باقی علوم مهندسـیبا انواع کاربردی پلاسما سروکار داشته باشد.
سنتز و تولید مواد مورد نیاز از مواد اولیه، حذف آلاینده هـا و کوشـش بـرای حفـظمحیط زیست و اکوسیستم، پلیمریزاسیون، پوشـش دهـی سـطوح و حتـا فرآینـدهایانجام شونده در مقیاس نانوتکنولوژی که بعـضا در ایـن رشـته انجـام و بررسـی مـیشوند، به کار بستن متدهای نوین عملیاتی با کیفیـت کـار و بـازدهی بـالاتر، هزینـه تمام شده مناسب تر و ایجاد محصولات واسط کمتر و در نتیجـه جلـوگیری از آلـودهگی و ضایعات کمتر را ایجاب می کند.
استفاده از یک محیط پلاسمایی در داخل رآکتورها بـه جـای عملیـات و فرآینـدهایکلاسیک همچون استفاده از مبدل، بویلرها و سایر روش هایی کـه بـا تولیـد و انتقـالانرژی، دستیابی به انرژی اکتیواسیون مورد نیاز بـرای حرکـت سیـستم شـیمیایی رافرآهم می آورد، ایده ایست که نه تنها دیگر نو نمی باشد کـه انـدک انـدک بـه یـکروش مهم و قابل قبول تبدیل شده است و حتا شـگفت آور نیـست اگـر روزی جـایروش های قدیمی را گرفته و یا در کنار آن ها به کار گرفته شود.
ایجاد پلاسما به کمک یک حالتی از جریان که به صـورت پـالس هـایی از انـرژی درکسری از ثانیه به سیستم داده شـود، پیـشرفت دیگـری اسـت کـه امـروزه بـه دلیـلسودمندی های فراوان مورد توجه قرار گرفته است و توا نسته با اتکا بـه نتـایج بهتـرخود گوی برتری را در بیشتر زمینه ها از پلاسماهای پیوسته برباید.
در این جا رآکتورها و شبه رآکتورهایی(سیستم هایی که اگرچـه رآکتـور بـه معنـایکلاسیک نیستند ولی در آن ها واکنش رخ می دهـد.) را کـه بـا اسـتفاده از تکنیـکپالس در آن ها حالت پلاسما ایجاد شده و با بهره گرفتن از آن واکنش انجـام و هـدایتخواهد شد ، بررسی نمـوده و ضـمن مقایـسه ی انـواع آن بـا یکـدیگر، شـرایط کـار ومزایای هریک را مشخص کرده و کاربرد هرکدام را با توجه به نقاط ضعف و قـوت آنبیان و انتخاب نماییم.
رآکتورهایی را که به صورت پلاسمای پالسی عمل می کنند را می توان در انواع زیـرطبقه بندی نمود:
- رآکتورهای با تخلیه کرونا:
یکی از ساده ترین روش های تخلیه که یک رسانا در نقش الکترود با حضور در یـکمیدان الکتریکی با یونیزه نمودن اتـم هـا و ایجـاد ذرات فعـال سـبب ایجـاد تخلیـهالکتریکی می شود تخلیه کرونا می باشد.
تخلیه کرونا یک روش ساده و کم هزینه و در عین حال مفید و با بـازدهی بـالا مـیباشد که مورد توجه محققان می باشد.الکترودهای به کار رفته برای ایجاد پلاسـمایکرونا می تواند اشکال مختلفی داشته باشد که تعیـین کننـده ی شـکل رآکتـور مـیباشد مثلا:نقطه- صفحه ، نقطه- نقطه و یا سیم- لوله[۳].
- رآکتورهای با تخلیه تابشی:
در این روش با اعمال یک اختلاف پتانسیل التریکـی بـین دو الکتـرود رسـانا درحالت وکیوم، تخلیه الکتریکی رخ می دهد[۴].
- رآکتور با تخلیه مانع دی الکتریکی:
Dielectric Barrier Discharge (DBD) در این روش تخلیه الکتریکی میان دو الکترود که با یک مانع دی الکتریکـی از هـمجدا شده اند صورت می گیرد و به آن تخلیه تولید اوزون نیز گفته می شود.
طریقه عمل این تخلیه به این صورت است که یک ولتاژ (اخـتلاف پتانـسیل) بـالا ازنوع متناوب به سیستم داده می شود. در این جا انواعی از الکترودها را می تـوان بـهکار گرفت مثلا دو صفحه مسطح موازی که میان آن ها مانع دی الکتریک قرار گرفته است.یا یک استوانه کواکسیال که یک تیوب دی الکتریـک در میـان دو اسـتوانه هـممحور وجود دارد[۴].
در این سمینار این نوع تخلیه را گاه به اختصار تخلیه دی الکتریکی نیز گفته ایم.
- رآکتور با تخلیه به کمک فرکانس های رادیویی:
امواج رادیویی سرعتی میـان ۳ هرتـز تـا ۳۰ گیگـاهرتز دارنـد. ایـن مقـدار برابـر بـافرکانس سیگنال های جریان متناوب است که برای تولید امواج رادیویی به کار مـیرود.
در رآکتورهای این گروه، الکترودها تحت تاثیر جریان متناوب قرار دارند و بـا توجـهبه فرکانس رادیویی به کار رفته، متناوبا آند و کاتد می شوند ودر هر نیم دوره پیشاز یک پریود، ولتاژ از مقدار ولتاژ شکست بالاتر رفته و تخلیه صورت می گیرد.
همان گونه که دیده می شود انرژی مورد نیاز منبع جریان متناوب اسـت کـه پـالسهای آن سبب پالسی شدن سیستم می گردد.
فرکانس مورد استفاده رآکتورهای رادیو فرکانسی در اغلب فرایندها ۵۶,۱۳مگـاهرتزمی باشد. در این فرکانس می توان بدون قرار دادن الکترود درون رآکتور انرژی را به پلاسما منتقل نمود. به همین دلیل گاه این رآکتورها را رآکتورهـای بـدون الکتـرودمی گویند.
میکروویو ها که از امواج الکترومغناطیسی هستند، روش عملی مشابه رادیوفرکانـسیدر تول ید پلاسما دارند. تفاوت این دو نوع پلاسما تنهـا در منبـع تغذیـه آن هـا مـیباشد. برای پلاسمای میکروویو از فرکانسی حدود۵۴,۲ گیگاهرتز استفاده مـی شـود.
به همین دلیـل دامنـه ی فرکـانس الکتـرون هـا کوچـک مـی شـود و پایـداری ایـنپلاسماها در مقایسه با رادیو فرکانسی کاهش می یابد.
- تجزیه بخاری شیمیایی بهبود یافته به کمک پلاسما:
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)
CVD یا تجزیه بخاری شیمیایی، روشی سودمند برای عملیات سطحی مانند پوشش دهی است. در این روش سوبسترا به چند ماده فرار بخار می شود و این بخارات در مرحله ی بعدی برروی سطح مورد نظر نشسته و پوشش مطلوب را ایجاد می کنند.
حال می توان این روش را در یک محیط پلاسـمایی اجـرا کـرد بـه ایـن صـورت کـهپلاسما با ایجاد رادیکال ها، یون ها و سایر ذرات فرار امکان تجزیه ی ویفر سوبسترا به کار رفته را ایجاد می نمایند. در این حالت دیگر نیازی بـه حـرارت و سـایر روش های مرسوم جهت تجزیه ی سوبسترا نیست بل که در یک درجه حرارت کم می توانفرایند را اجرا نمود[۵].
- تزریق پالسی تجزیه ی بخاری متال ارگانیکی:
-
Pulsed Injection Metal Organic Chemical Vapor Deposition
(PIMOCVD)
MOCVD حالتی ازCVD می باشد که در آن عمل پوشش دهی به کمـک مـوادمتال ارگانیک صورت می گیرد. می توان این فرایند را با یک پلاسمای پالسی انجـامداد تا ضمن بهبود نتایج شرایط عملیاتی نیز آسان شود.
- تجزیه ی بخاری شیمیایی به کمک میکروویو:
Microwave Plasma Assisted-CVD در این روش، فرایندCVD به کمک پلاسمای میکروویو انجام می پذیرد.
پلاسمای پالسی از آن جا که یک روش غیرتعادلی (یا غیرگرمایی ) مـی باشـدمشکلات پلاسمای تعادلی از قبیل انرژی بـالای موردنیـاز، شـرایط ایمنـی و کنترلـیخاص و هزینه های بالای انرژی را ندارد و در عین حال از بازدهی بـالایی برخـورداراست.
مطالعات فراوانی در حال حاضر در مراکز تحقیقاتی دنیا در جریان است تا با بررسیجوانب این روش پیشرفت به سوی کاربرد بهتر آن را ممکن سازد.
در ادامه می خواهیم نگاهی به جزئیات این بررسی ها بیندازیم.
