Onderzoeksproject P6/08 (Onderzoeksactie P6)
Domein:
De fysische scheikunde van plasma’s – de vierde aggregatietoestand van materie – is een onderzoeksdomein dat snel in belang toeneemt en dat zowel fundamentele als industriële uitdagingen omvat. Inderdaad, de zeer reactieve componenten die in plasma’s kunnen gegenereerd worden, hebben vele toepassingen gevonden in de behandeling van oppervlakken en materiaalverwerking. Hoewel er reeds enorm veel industriële toepassingen werden ontwikkeld, zijn de mechanismen zowel binnenin de plasma’s als aan de randlagen tussen het plasma en het materiaal nog grotendeels onbekend. Fysische en chemische verschijnselen in plasma’s worden uiteraard waargenomen – en de studie ervan is dus relevant – in heel wat andere domeinen zoals thermische, fusie- en astrofysische plasma’s. De rol van de universitaire onderzoeksgroepen is precies deze mechanismen te onderzoeken, te begrijpen en te beheersen.
Objectieven:
Het huidige project heeft als doel de krachten te bundelen van de meeste Belgische onderzoeksgroepen die betrokken zijn bij het onderzoek van reactieve plasma’s om zo ons fundamenteel inzicht in deze systemen te verbeteren. Verwacht wordt dat de resultaten van dit project, dat experimentele en theoretische activiteiten combineert, technologische ontwikkelingen zullen stimuleren op het gebied van nieuwe materialen, nieuwe oppervlakken of nieuwe bedekkingsprocessen, en dus de economische ontwikkeling van ons land zullen ondersteunen. We voorzien een multidisciplinaire en geïntegreerde aanpak, die onderzoekseenheden samenbrengt met expertise in in-situ plasma diagnostiek (optische, massaspectrometrie en elektrische sondetechnieken) (Hecq, Delplancke, Reniers), in de fundamentele studie van de geïoniseerde gas-fase en de (magneto-)hydrodynamica daarvan (Degrez, Carati, Van Oost), in de elektrische karakterisatie en de aanpassing en controle van plasma’s (Leys, Van Oost), en in de modellering van plasma’s (van der Mullen). Anderzijds zullen andere onderzoeksgroepen zich concentreren op de plasma-oppervlak interacties (Reniers, Segers, Delplancke, Lucas, Houssiau, Pireaux, Hecq, Leys, Van Oost, Schneider), in nauwe samenwerking met de hoger vernoemde groepen die zich op de plasma’s zelf concentreren. Een fundamentele studie van de interactie tussen de verschillende deeltjes die in de plasma’s gecreëerd worden (ionen, neutronen, electronen, UV...) met modeloppervlakken zal gestimuleerd worden.
Methodologie:
Volgens onze analyse dienen er zeven fundamentele onderwerpen bestudeerd te worden om een beter inzicht te krijgen van plasma’s en plasma-oppervlak interacties. Deze onderwerpen zijn: de bronnen van excitatie, de fysica van gedeeltelijk en volledig geïoniseerde plasma’s, de straling die door plasma’s wordt uigezonden, de beheersing van plasma’s, de fase-transformaties, de randvoorwaarden aan het oppervlak en de karakterisatie van door plasma gemodificeerde oppervlakken en randlagen (structuur en samenstelling). Deze zeven domeinen zijn onderling zeer sterk met elkaar verbonden. Elke stap omvat experimentele karakterisatie en numerieke simulaties om een volledig beeld te krijgen van wat er gebeurt in het plasma en aan het oppervlak en in de randlagen. Er zijn bijvoorbeeld verschillende energiebronnen beschikbaar om een plasma in een laboratorium te creëren: MW, DC, AC, RF (capacitief en inductief gekoppeld), HF, Arc. De koppeling van de bron met de gasfase zal de samenstelling van het plasma beïnvloeden in termen van de concentratie en de aard van ionen, elektronen, geëxciteerde neutrale deeltjes en fotonen. De creatie en het verlies van plasmadeeltjes en ook recombinatie, impact ionisatie, ion-atoom uitwisselingen en ladings-uitwisselingen zijn verantwoordelijk voor dichtheids- en temperatuursgradiënten in het plasma. De samenstelling van het plasma moet met zorg gekarakteriseerd worden in termen van deeltjes en energie om een beter begrip te krijgen van de nucleatie in de gasfase en van de interacties met een oppervlak (substraat of reactorwand). Deze interacties met de substraten en de wanden wijzigen de samenstelling en de interacties tussen deeltjes in het plasma. Ze geven ook aanleiding tot functionalizering, depositie (nucleatie en groei), etsen en implantatie in het substraat. Een grondige karakterisering (structuur en compositie) van het gemodificeerde oppervlak moet worden uitgevoerd om de impact van de deeltjes en de energie te begrijpen.
We zullen beginnen met de studie van model-systemen (gasfases met een beperkt aantal reactanten, i.e. zuurstof en/of stikstof, die een beperkt aantal producten opleveren) waarvoor het mogelijk is een maximaal aantal sleutel-parameters experimenteel te karakteriseren en waarvan de geometrie niet te complex is voor numerieke simulaties. Enkele substraten zullen geselecteerd worden als representatieve voorbeelden van materiaaltypes (i.e. een polymeer, een metaal en een half-geleider). De experimenten zullen de modellering sturen. De numerieke simulaties zullen een verbetering van de experimentele opstellingen toelaten.
Progressief zullen de systemen meer complex worden en steeds dichter de plasma’s benaderen die in de praktijk gebruikt worden in oppervlaktebehandelingen of die men tegenkomt in astrofysische context.
