Плазменная очистка
Рис. 1. Поверхность устройства MEMS очищается яркой голубой кислородной плазмой в плазменном травителе для удаления углеродных загрязнений. (100 мТорр, 50 Вт RF)

Плазменная очистка — это удаление примесей и загрязняющих веществ с поверхностей с помощью энергетической плазмы или плазмы диэлектрического барьерного разряда (DBD), созданной из газообразных веществ. Используются такие газы, как аргон и кислород , а также такие смеси, как воздух и водород/азот. Плазма создается с помощью высокочастотных напряжений (обычно от кГц до >МГц) для ионизации газа низкого давления (обычно около 1/1000 атмосферного давления), хотя в настоящее время также распространена плазма атмосферного давления. [1]

Методы

В плазме атомы газа возбуждаются до более высоких энергетических состояний, а также ионизируются. Когда атомы и молекулы «релаксируют» до своих обычных, более низких энергетических состояний, они испускают фотон света, что приводит к характерному «свечению» или свету, связанному с плазмой. Различные газы дают разные цвета. Например, кислородная плазма излучает светло-голубой цвет.

Активированные виды плазмы включают атомы , молекулы , ионы , электроны , свободные радикалы , метастабильные вещества и фотоны в коротковолновом ультрафиолетовом (вакуумном УФ или ВУФ для краткости) диапазоне. Эта смесь затем взаимодействует с любой поверхностью, помещенной в плазму.

Если используемый газ — кислород, плазма является эффективным, экономичным и экологически безопасным методом для критической очистки. Энергия ВУФ очень эффективна при разрушении большинства органических связей (т. е. C–H, C–C, C=C, C–O и C–N) поверхностных загрязнителей. Это помогает разрушить высокомолекулярные загрязнители. Второе очищающее действие выполняется кислородными видами, созданными в плазме (O 2 + , O 2 − , O 3 , O, O + , O − , ионизированный озон, метастабильный возбужденный кислород и свободные электроны). [2] Эти виды реагируют с органическими загрязнителями, образуя H 2 O, CO, CO 2 и углеводороды с более низкой молекулярной массой. Эти соединения имеют относительно высокое давление паров и откачиваются из камеры во время обработки. Полученная поверхность является сверхчистой. На рис. 2 показано относительное содержание углерода по глубине материала до и после очистки возбужденным кислородом [1] .

Рис. 2. Содержание углерода по глубине материала z: до обработки образца - ромбовидные точки и после обработки в течение 1 с. - квадратные точки

Если деталь состоит из легко окисляющихся материалов, таких как серебро или медь, то вместо этого для обработки используются инертные газы, такие как аргон или гелий. Атомы и ионы, активированные плазмой, ведут себя как молекулярная пескоструйная обработка и могут разрушать органические загрязнители. Эти загрязнители испаряются во время обработки и удаляются из камеры.

Большинство этих побочных продуктов представляют собой небольшие количества газов, таких как углекислый газ и водяной пар, а также следовые количества оксида углерода и других углеводородов.

Полное удаление органических веществ можно оценить с помощью измерений угла контакта . При наличии органического загрязнителя угол контакта воды с устройством высок. Удаление загрязнителя снижает угол контакта до значения, характерного для контакта с чистым субстратом. Кроме того, XPS и AFM часто используются для проверки приложений очистки и стерилизации поверхности. [3]

Если обрабатываемая поверхность покрыта узорчатым проводящим слоем (металл, ITO ), обработка прямым контактом с плазмой (способной сокращаться до микродуг) может быть разрушительной. В этом случае может быть применена очистка нейтральными атомами, возбужденными в плазме до метастабильного состояния. [4] Результаты тех же применений к поверхностям стеклянных образцов, покрытых слоями Cr и ITO , показаны на рис. 3.

Рис. 3. Угол контакта капли воды объемом 5 мкл на стекле, покрытом различными материалами.

После обработки контактный угол капли воды уменьшается, становясь меньше его значения на необработанной поверхности. На рис. 4 показана кривая релаксации следа капли для стеклянного образца. Фотография той же капли на необработанной поверхности показана на вставке рис. 4. Время релаксации поверхности, соответствующее данным, показанным на рис. 4, составляет около 4 часов.

Плазменное озоление — это процесс, который использует плазменную очистку исключительно для удаления углерода. Плазменное озоление всегда выполняется с использованием газа O 2. [5]

Рис. 4. Площадь поверхности капли воды объемом 5 мкл на поверхности стекла в зависимости от времени t после ее обработки. Капля на необработанном стекле показана на врезке.

Приложения

Рис. 5. Плазменная очистка металлической поверхности

Очистка и стерилизация

Плазменная очистка удаляет органические загрязнения посредством химической реакции или физической абляции углеводородов на обработанных поверхностях. [3] Химически реактивные технологические газы (воздух, кислород) реагируют с углеводородными монослоями, образуя газообразные продукты, которые уносятся непрерывным потоком газа в камере плазменной очистки. [6] Плазменную очистку можно использовать вместо влажных химических процессов, таких как травление пираньей, которые содержат опасные химикаты, увеличивают опасность загрязнения реагентами и риск травления обработанных поверхностей. [6]

  • Удаление самоорганизующихся монослоев алкантиолятов с золотых поверхностей [6]
  • Остаточные белки на биомедицинских устройствах [3]
  • Очистка наноэлектрода [7]

Науки о жизни

Жизнеспособность, функционирование, пролиферация и дифференциация клеток определяются адгезией к их микроокружению. [8] Плазма часто используется как химическое средство без добавления биологически значимых функциональных групп (карбонильных, карбоксильных, гидроксильных, аминных и т. д.) к поверхностям материалов. [9] В результате плазменная очистка улучшает биосовместимость или биоактивность материалов и удаляет загрязняющие белки и микробы. Плазменные очистители являются общим инструментом в науках о жизни, используемым для активации поверхностей для клеточной культуры , [10] тканевой инженерии , [11] имплантатов и многого другого.

  • Субстраты тканевой инженерии [11]
  • Адгезия клеток полиэтилентерефталата (ПЭТ) [10]
  • Улучшенная биосовместимость имплантатов: сосудистые трансплантаты, [12] винты из нержавеющей стали [13]
  • Исследования долгосрочного ограничения клеток [14]
  • Плазменная литография для моделирования субстратов клеточных культур [15]
  • Сортировка клеток по силе адгезии [16]
  • Удаление антибиотиков с помощью активированной плазмой стальной стружки [17]
  • Секвенирование отдельных клеток [18]

Материаловедение

Смачивание и модификация поверхности являются основополагающим инструментом в материаловедении для улучшения характеристик материала без влияния на объемные свойства. Плазменная очистка используется для изменения химии поверхности материала путем введения полярных функциональных групп. Повышенная гидрофильность поверхности (смачивание) после плазменной обработки улучшает адгезию с водными покрытиями, клеями, чернилами и эпоксидными смолами:

  • Повышенная термоЭДС графеновых пленок [19]
  • Повышение работы выхода в полимерных полупроводниковых гетероструктурах [20]
  • Улучшенная адгезия волокон сверхвысокомодульного полиэтилена (Spectra) и арамидных волокон [21]
  • Плазменная литография для наномасштабных поверхностных структур и квантовых точек [22]
  • Микроструктурирование тонких пленок [23]

Микрофлюидика

Уникальные характеристики микро- или наномасштабного потока жидкости используются микрофлюидными устройствами для широкого спектра исследовательских приложений. Наиболее широко используемый материал для прототипирования микрофлюидных устройств — полидиметилсилоксан (PDMS) из-за его быстрой разработки и регулируемых свойств материала. Плазменная очистка используется для постоянного соединения микрофлюидных чипов PDMS со стеклянными предметными стеклами или пластинами PDMS для создания водонепроницаемых микроканалов. [24]

  • Разделение плазмы крови [25]
  • Секвенирование РНК отдельных клеток [18]
  • Электроосмотические клапаны потока [26]
  • Формирование модели смачиваемости в микрофлюидных устройствах [27]
  • Длительное сохранение гидрофильности микрофлюидного устройства [28]
  • Улучшенная адгезия к полипропилену [29]

Солнечные батареи&Фотоэлектричество

Плазма используется для повышения производительности солнечных элементов и преобразования энергии в фотоэлектрических устройствах:

  • Восстановление оксида молибдена (MoO 3 ) увеличивает плотность тока короткого замыкания [30]
  • Модификация нанолистов TiO 2 для улучшения генерации водорода [31]
  • Улучшенная проводимость PEDOT:PSS для лучшей эффективности в перовскитных солнечных элементах без ITO [32]

Ссылки

  1. ^ Евгений В. Шунько и Вениамин В. Белкин (2007). "Очищающие свойства атомарного кислорода, возбужденного в метастабильное состояние 2s 2 2p 4 ( 1 S 0 )". J. Appl. Phys . 102 (8): 083304–1–14. Bibcode :2007JAP...102h3304S. doi :10.1063/1.2794857.
  2. ^ A. Pizzi; KL Mittal (2003). Справочник по технологии склеивания, пересмотренный и расширенный (2, иллюстрированное, пересмотренное издание). CRC Press . стр. 1036. ISBN 978-0824709860.
  3. ^ abc Баннерджи, К.К.; Кумар, С.; Бреммелл, К.Е.; Гриссер, Х.Дж. (2010-11-01). «Удаление белковых загрязнений на молекулярном уровне с поверхностей моделей и материалов биомедицинских устройств с помощью обработки плазмой воздуха». Журнал госпитальных инфекций . 76 (3): 234–242. doi :10.1016/j.jhin.2010.07.001. ISSN  0195-6701. PMID  20850199.
  4. ^ Евгений В. Шунько и Вениамин В. Белкин (2012). «Обработка поверхностей атомарным кислородом, возбуждаемым в плазме диэлектрического барьерного разряда O2, смешанного с N2». AIP Advances . 2 (2): 022157–24. Bibcode : 2012AIPA....2b2157S. doi : 10.1063/1.4732120 .
  5. ^ Основы плазменной терапии - http://www.plasmaetch.com/plasma-treatment-basics.php
  6. ^ abc Raiber, Kevin; Terfort, Andreas; Benndorf, Carsten; Krings, Norman; Strehblow, Hans-Henning (2005-12-05). "Удаление самоорганизующихся монослоев алканетиолятов на золоте с помощью плазменной очистки". Surface Science . 595 (1): 56–63. Bibcode :2005SurSc.595...56R. doi :10.1016/j.susc.2005.07.038. ISSN  0039-6028.
  7. ^ Сан, Тонг; Бланшар, Пьер-Ив; Миркин, Майкл В. (2015-04-21). «Очистка наноэлектродов воздушной плазмой». Аналитическая химия . 87 (8): 4092–4095. doi :10.1021/acs.analchem.5b00488. ISSN  0003-2700. PMID  25839963.
  8. ^ Халили, Амелия Ахмад; Ахмад, Мохд Ридзуан (2015-08-05). «Обзор исследований клеточной адгезии для биомедицинских и биологических приложений». Международный журнал молекулярных наук . 16 (8): 18149–18184. doi : 10.3390/ijms160818149 . ISSN  1422-0067. PMC 4581240. PMID 26251901  . 
  9. ^ Лерман, Макс Дж.; Лембонг, Жозефина; Мурамото, Шин; Джиллен, Грег; Фишер, Джон П. (октябрь 2018 г.). «Эволюция полистирола как материала для культивирования клеток». Тканевая инженерия. Часть B, Обзоры . 24 (5): 359–372. doi :10.1089/ten.TEB.2018.0056. ISSN  1937-3376. PMC 6199621. PMID 29631491  . 
  10. ^ ab Pratt, Kerri J.; Williams, Stuart K.; Jarrell, Bruce E. (1989). «Повышенная адгезия эндотелиальных клеток взрослого человека к полиэтилентерефталату, модифицированному плазменным разрядом». Журнал исследований биомедицинских материалов . 23 (10): 1131–1147. doi :10.1002/jbm.820231004. ISSN  1097-4636. PMID  2530233.
  11. ^ ab Beardslee, Luke A.; Stolwijk, Judith; Khaladj, Dimitrius A.; Trebak, Mohamed; Halman, Justin; Torrejon, Karen Y.; Niamsiri, Nuttawee; Bergkvist, Magnus (август 2016 г.). "Жертвенный процесс для изготовления биоразлагаемых полимерных мембран с субмикронной толщиной: Жертвенный процесс для изготовления биоразлагаемых полимерных мембран". Журнал исследований биомедицинских материалов, часть B: прикладные биоматериалы . 104 (6): 1192–1201. doi :10.1002/jbm.b.33464. PMID  26079689.
  12. ^ Валенс, Сарра де; Тилле, Жан-Кристоф; Шаабан, Шираз; Гурни, Роберт; Бошатон-Пиалла, Мари-Люс; Уолпот, Бит Х.; Мёллер, Михаэль (2013-09-01). "Плазменная обработка для улучшения биосовместимости клеток биоразлагаемого полимерного каркаса для сосудистых трансплантатов". Европейский журнал фармацевтики и биофармацевтики . 85 (1): 78–86. doi :10.1016/j.ejpb.2013.06.012. ISSN  0939-6411. PMID  23958319.
  13. ^ Кумар, Сунил; Симпсон, Даррен; Смарт, Роджер Ст. К. (2007-12-15). «Плазменная обработка для индукции биоактивности в ортопедических винтах из нержавеющей стали». Технология поверхностей и покрытий . ICMCTF 2007. 202 (4): 1242–1246. doi :10.1016/j.surfcoat.2007.07.075. ISSN  0257-8972.
  14. ^ Джанкин, Майкл; Вонг, Пак Кин (2011-03-01). «Исследование миграции клеток в замкнутых средах с помощью плазменной литографии». Биоматериалы . 32 (7): 1848–1855. doi :10.1016/j.biomaterials.2010.11.009. ISSN  0142-9612. PMC 3023939. PMID 21134692  . 
  15. ^ Нам, Ки-Хван; Джамилпур, Нима; Мфуму, Этьен; Ван, Фэй-Юэ; Чжан, Донна Д.; Вонг, Пак Кин (2014-11-07). "Исследование механорегуляции нейронной дифференциации с помощью эластомерных субстратов с узором из плазменной литографии". Scientific Reports . 4 (1): 6965. Bibcode :2014NatSR...4E6965N. doi :10.1038/srep06965. ISSN  2045-2322. PMC 4223667 . PMID  25376886. 
  16. ^ Blackstone, BN; Willard, JJ; Lee, CH; Nelson, MT; Hart, RT; Lannutti, JJ; Powell, HM (2012-08-21). "Плазменная модификация поверхности электропрядильных волокон для сортировки раковых клеток на основе адгезии". Integrative Biology . 4 (9): 1112–1121. doi :10.1039/c2ib20025b. PMID  22832548.
  17. ^ Тран, Ван Сон; Нго, Ху Хао; Го, Вэньшань; Тон-Тат, Куонг; Ли, Цзяньсинь; Ли, Цзисян; Лю, И (2017-12-01). «Удаление антибиотиков (сульфаметазина, тетрациклина и хлорамфеникола) из водного раствора сырой и модифицированной азотной плазмой стальной стружкой». Science of the Total Environment . 601–602: 845–856. Bibcode : 2017ScTEn.601..845T. doi : 10.1016/j.scitotenv.2017.05.164. hdl : 10453/114587 . ISSN  0048-9697. PMID  28578242.
  18. ^ ab Gierahn, Todd M.; Wadsworth, Marc H.; Hughes, Travis K.; Bryson, Bryan D.; Butler, Andrew; Satija, Rahul; Fortune, Sarah; Love, J. Christopher; Shalek, Alex K. (апрель 2017 г.). "Seq-Well: портативное, недорогое секвенирование РНК отдельных клеток с высокой пропускной способностью". Nature Methods . 14 (4): 395–398. doi :10.1038/nmeth.4179. hdl :1721.1/113430. ISSN  1548-7105. PMC 5376227 . PMID  28192419. 
  19. ^ Сяо, Ни; Донг, Сяочэнь; Сун, Ли; Лю, Дайонг; Тай, Йиян; Ву, Шиксин; Ли, Лэйн-Джонг; Чжао, Ян; Ю, Тинг; Чжан, Хуа; Хуан, Вэй (26 апреля 2011 г.). «Повышение термоэдс графеновых пленок при кислородно-плазменной обработке». АСУ Нано . 5 (4): 2749–2755. дои : 10.1021/nn2001849. hdl : 10220/7452 . ISSN  1936-0851. ПМИД  21417404.
  20. ^ Браун, Томас М.; Лаззерини, Дж. Маттиа; Парротт, Лиза Дж.; Бодрожич, В.; Бюрги, Лукас; Качиалли, Франко (01.04.2011). «Временная зависимость и замораживание электродной кислородной плазмы, индуцированное повышением работы выхода в гетероструктурах полимерных полупроводников». Органическая электроника . 12 (4): 623–633. doi :10.1016/j.orgel.2011.01.015. ISSN  1566-1199.
  21. ^ Биро, Дэвид А.; Плезье, Джеральд; Десландес, Ив (1993). «Применение метода микросвязей. IV. Улучшение адгезии волокон и матрицы с помощью обработки органических волокон плазмой RF». Журнал прикладной полимерной науки . 47 (5): 883–894. doi :10.1002/app.1993.070470516. ISSN  1097-4628.
  22. ^ Джанкин, Майкл; Уотсон, Дженнифер; Гист, Джонатан П. Ванде; Вонг, Пак Кин (2009). «Самосборка коллоидных квантовых точек с использованием плазменной литографии под управлением шаблона». Advanced Materials . 21 (12): 1247–1251. doi :10.1002/adma.200802122. ISSN  1521-4095. S2CID  19900235.
  23. ^ Ким, Хеджин; Юн, Бокён; Сунг, Джинву; Чой, Дэ-Гын; Пак, Чолмин (15 июля 2008 г.). «Микроструктурирование тонких пленок P3HT с помощью плазменно-усиленной полимерной трансферной печати». Журнал химии материалов . 18 (29): 3489–3495. doi :10.1039/B807285J. ISSN  1364-5501.
  24. ^ Чен, Ченг-фу (2018-06-03). «Характеристика энергии разрушения и вязкости воздушно-плазменного соединения PDMS–PDMS с помощью испытания на Т-отслаивание». Журнал науки и технологии адгезии . 32 (11): 1239–1252. doi :10.1080/01694243.2017.1406877. ISSN  0169-4243. S2CID  139954334.
  25. ^ Рафейе, Мехди; Чжан, Цзюнь; Асадния, Мохсен; Ли, Вэйхуа; Варкиани, Маджид Эбрахими (2016-07-19). «Мультиплексирование наклонных спиральных микроканалов для сверхбыстрого разделения плазмы крови». Lab on a Chip . 16 (15): 2791–2802. doi :10.1039/C6LC00713A. ISSN  1473-0189. PMID  27377196.
  26. ^ Мартин, Ина Т.; Дрессен, Брайан; Боггс, Марк; Лю, Ян; Генри, Чарльз С.; Фишер, Эллен Р. (2007). «Плазменная модификация микрофлюидных устройств PDMS для управления электроосмотическим потоком». Плазменные процессы и полимеры . 4 (4): 414–424. doi :10.1002/ppap.200600197. ISSN  1612-8869.
  27. ^ Ким, Сэмюэл С.; Сукович, Дэвид Дж.; Абате, Адам Р. (2015-07-14). «Формирование смачиваемости микрофлюидных устройств с помощью пространственно-контролируемого плазменного окисления». Lab on a Chip . 15 (15): 3163–3169. doi :10.1039/C5LC00626K. ISSN  1473-0189. PMC 5531047. PMID 26105774  . 
  28. ^ Чжао, Ли Хонг; Ли, Дженнифер; Сен, Пабитра Н. (2012-07-01). «Длительное сохранение гидрофильного поведения обработанных плазмой полидиметилсилоксановых (PDMS) поверхностей, хранящихся под водой и бульоном Лурия-Бертани». Датчики и приводы A: Физические . 181 : 33–42. doi :10.1016/j.sna.2012.04.038. ISSN  0924-4247.
  29. ^ Bhat, NV; Upadhyay, DJ (2002-10-24). «Плазменная модификация поверхности и усиление адгезии полипропиленовой поверхности». Журнал прикладной полимерной науки . 86 (4): 925–936. doi : 10.1002/app.11024 . ISSN  0021-8995.
  30. ^ Сан, Джен-Ю; Ценг, Вэй-Сюань; Лан, Шианг; Линь, Шан-Хун; Ян, По-Чин; У, Чи-И; Линь, Чин-Фух (2013-02-01). «Улучшение производительности в инвертированных полимерных фотоэлектрических элементах с помощью обработки MoOX в растворе и воздушно-плазменной обработки для модификации анода». Материалы и солнечные элементы солнечной энергетики . 109 : 178–184. doi :10.1016/j.solmat.2012.10.026. ISSN  0927-0248.
  31. ^ Конг, Сянчэнь; Сюй, Имин; Цуй, Жендуо; Ли, Чжаоян; Лян, Яньцинь; Гао, Чжунхуэй; Чжу, Шэнли; Ян, Сяньцзинь (15 августа 2018 г.). «Дефект усиливает фотокаталитическую активность ультратонких нанолистов TiO 2 (B) для получения водорода методом плазменной гравировки». Прикладной катализ Б: Экология . 230 : 11–17. дои : 10.1016/j.apcatb.2018.02.019. ISSN  0926-3373. S2CID  103280998.
  32. ^ Vaagensmith, Bjorn; Reza, Khan Mamun; Hasan, MD Nazmul; Elbohy, Hytham; Adhikari, Nirmal; Dubey, Ashish; Kantack, Nick; Gaml, Eman; Qiao, Qiquan (18.10.2017). «Экологически чистый обработанный плазмой PEDOT:PSS в качестве электродов для перовскитных солнечных элементов без ITO». ACS Applied Materials & Interfaces . 9 (41): 35861–35870. doi :10.1021/acsami.7b10987. ISSN  1944-8244. PMID  28901734.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Плазменная_очистка&oldid=1241614556"