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Título

Diagnóstico y modelado de plasmas fríos de mezclas de H2+N2 y H2+O2

AutorJiménez-Redondo, Miguel ; Tanarro, Isabel ; Herrero, Víctor J.
Fecha de publicación13-jul-2015
EditorReal Sociedad Española de Física
CitaciónXXXV Bienal de la Real Sociedad Española de Física (2015)
ResumenEl estudio de los plasmas fríos de H2+N2 y H2+O2 tiene interés en una gran variedad de campos. La caracterización de las especies en estos plasmas y su interacción con las superficies tiene aplicaciones tecnológicas, como el crecimiento de láminas delgadas y el procesado de materiales [1,2]. En la investigación en fusión, se ha considerado el papel del N2 como inhibidor de la deposición de material sometido a sputtering [3], mientras que el O2 ha sido propuesto para la eliminación de depósitos en las paredes del reactor [4]. Los iones que se pueden observar en este tipo de plasmas tienen un papel importante en la formación de moléculas en el medio interestelar [5]. En este trabajo se presenta un estudio de la química de las especies neutras e iónicas presentes en los plasmas de H2+N2, H2+O2 y H2+aire, generados en descargas de cátodo hueco, basado en el diagnóstico experimental y el modelado cinético. El reactor de cátodo hueco empleado en los experimentos, descrito en detalle en [6,7], consiste en un cilindro de acero inoxidable con un ánodo central, sometido a vacío por medio de una bomba turbomolecular y una bomba seca. Las especies neutras del plasma se analizan mediante un espectrómetro de masas cuadrupolar, mientras que los iones positivos se muestrean mediante un monitor de plasmas que permite analizar sus distribuciones de energía. Ambos instrumentos están instalados en una cámara con vacío diferencial. La temperatura y densidad electrónica del plasma se determinan usando una sonda de Langmuir doble. Para generar el plasma se emplean mezclas de H2+N2, H2+O2 y H2+aire en diferentes proporciones, con una presión total de 8 Pa. Durante la descarga se mantiene una corriente de ~150 mA, con voltajes de 400-550 V. Para el encendido del plasma se usa un cañón de electrones. Con el objetivo de reproducir las abundancias de las diferentes especies determinadas experimentalmente en cada tipo de mezcla y determinar los mecanismos que gobiernan la cinética del plasma, se emplea un modelo cinético que tiene en cuenta los principales procesos físicoquímicos que tienen lugar en la descarga. Entre ellos, los más relevantes son las reacciones de ionización y disociación por impacto electrónico y las reacciones ion-molécula, que tienen lugar en fase gas, y procesos heterogéneos que ocurren en las paredes de la cámara. El conjunto de reacciones en superficie justifica la formación, a través de varias etapas, de NH3 y H2O respectivamente. El equilibrio entre las reacciones de impacto electrónico y las reacciones del tipo ion-molécula depende fuertemente de la temperatura electrónica del plasma, y determina las concentraciones observadas de las diferentes especies iónicas. Ambos tipos de plasma se caracterizan por un predominio de las especies protonadas H3+, N2H+, NH4+, HO2+ y H3O+ frente a las producidas por impacto electrónico directo sobre los precursores. Esta observación experimental, junto a los datos de los modelos, pone en evidencia la alta eficiencia de los procesos de transferencia protónica, y justifica la correlación de las abundancias de estas especies con la afinidad protónica de sus precursores neutros. En la Fig.1 se pueden observar las concentraciones de las especies neutras e iones protonados en un plasma de H2+aire. [1] K. Ostrikov, U. Cvelbar, A.B. Murphy, J. Phys. D-Appl. Phys., 44 (2011) 174001. [2] T. Thandavan, C. Wong, S. Gani, R. Nor, Appl. Nanosci., 2 (2012) 47. [3] F.L. Tabarés, et al, Plasma Phys. Control. Fusion, 44 (2002) L37. [4] G. Counsell, et al, Plasma Phys. Control. Fusion, 48 (2006) B189. [5] E. Herbst, Philos. Trans. R. Soc. A-Math. Phys. Eng. Sci., 358 (2000) 2523. [6] E. Carrasco, M. Jiménez-Redondo, I. Tanarro, V.J. Herrero, Phys. Chem. Chem. Phys., 13 (2011) 19561. [7] M. Jiménez-Redondo, E. Carrasco, V.J. Herrero, I. Tanarro, Plasma Sources Sci. Technol., 24 (2015).
DescripciónXXXV Bienal de la RSEF, Gijón (España), 13-17 de Julio de 2015; http://bienalrsef-gijon2015.org/web/
URIhttp://hdl.handle.net/10261/136233
Aparece en las colecciones: (CFMAC-IEM) Comunicaciones congresos
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