پژوهشکده فيزيک کاربردي وستاره شناسي
گروه پلاسما
پاياننامه جهت دريافت درجه كارشناسيارشد
در رشته ي مهندسي پلاسما
عنوان فارسي
بررسي اثر پلاسما بر روي پليمر پلي متيل متاکريلات آلاييده با رنگينه آمينوآزو بنزن
استاد راهنما
آقاي دکتر محمد صادق ذاکرحميدي
استاد مشاور
آقاي دکتر سيروس خرم
پژوهشگر
محمد رضا ياري
شهريور 1393
سپاسگزاري
خداوند بزرگ را سپاس ميگويم که فرصت قدم نهادن در مسير علم و دانش را بر من ارزاني داشت و در لحظات سرگشتگي، مرا به آرامش ياد خود رهنمون ساخت. بر خود لازم مي دانم که از اساتيد محترمي که در طول اين پژوهش راهنمايم بودهاند کمال سپاس و امتنان خود را ابراز نمايم. از استاد محترم و دانشور، جناب آقاي دکتر محمدصادق ذاکرحميدي که به عنوان استاد راهنما در تدوين اين رساله ، نهايت لطف و کمک خويش را نصيب اينجانب نمودند، صميمانه سپاسگزارم. همچنين از زحمات استاد مشاور محترم جناب آقاي دکتر سيروس خرم که در طول اين پژوهش ياريم نمودند،سپاسگزاري ميکنم. و برخود وظيفه ميدانم از تمامي اساتيدگروه آموزشي مهندسي پلاسما و تمامي اساتيد و کارکنان محترم دوران کارشناسي و کارشناسي ارشد که شرف حضور در محضرشان را داشتهام تشکر نمايم. و در آخر از خانواده عزيزم که در تمام لحظات تحصيل مشوقم بودند نهايت تشکر و قدرداني را دارم.

نامخانوادگي دانشجو: ياري نام: محمد رضاعنوان پاياننامه :‌ بررسي اثر پلاسما بر روي پليمر پلي متيل متاکريلات آلاييده با رنگينه آمينوآزو بنزناستاد راهنما: دکتر محمدصادق ذاکرحميدي
استاد مشاور: دکتر سيروس خرممقطع تحصيلي: کارشناسي ارشد رشته: مهندسي پلاسما گرايش: اتمي و مولکولي دانشگاه: تبريز دانشکده: پژوهشکده فيزيک کاربردي و ستاره‌شناسي
تاريخ فارغالتحصيلي: شهريور 1393 تعداد صفحه: 73کليد واژهها: پلاسما ، پليمر ، رنگينه آزو، پلي متيل متاکريلات ، طيف سنجي مادون قرمز ، طيف سنجي جذبيچكيده:
پليمرهاي آلي به علت دارا بودن خواص منحصر به فرد کاربردي ، مانند شکل گيري آسان ، توليد ارزان ، قابليتهاي فوتونيکي مناسب ، امروزه در صنايع مختلف ،از جمله صنايع الکترونيک و پزشکي مورد استفاده قرار ميگيرند. تغيير رفتار سطحي اين پليمرها با استفاده از مواد شيميايي يا روش‌هاي متعدد ديگر به علت تغيير خصوصيات برهم کنشي و مورفولوژيک ، امروزه براي بهبود پارامترهاي مدنظر، مورد استفاده قرار مي‌گيرد از معايب اين روشها افزايش مواد مضر(مواد شيميايي عمل نکرده يا راديکال هاي آزاد) ، باعث شده است تمايل به سمت روش‌هاي نوين تغيير رفتار سطحي مانند استفاده از سيستم هاي پلاسمايي مورد توجه قرار گيرد. بررسيهاي صورت گرفته بر روي سيستم‌هاي پليمري در معرض پلاسما ، نشانگر پيچيدگي رفتار اين مواد در حضور محيط پلاسما مي‌باشد و تا به امروز تئوري منسجم و تأييد شده اي در مورد نوع اين برهم کنش ها ارائه نشده است.
در اين تحقيق ، از محيط پلاسمايي با شرايط کاري متفاوت و پليمر آلاييده با رنگينه به منظور بررسي اثر متقابل برهمکنش با پلاسما استفاده واقع شده است و به بررسي طيف‌هاي vis وFTIR ، قبل و بعد از قراردهي در محيط پلاسما پرداخته شده است.(وجود رنگينه اجازه بررسي رفتار پليمر را در بازه طول موج جذبي نيز ممکن مي سازد.) در نتيجه مي‌توان تغييرات ايجادشده در طيفهاي حاصل را به دليل اين اثر متقابل ، مورد مطالعه قرار داد.
فهرست مطالب
1فصل اول: بررسي منابع2
1-1-پلاسما2
1-1-1-تاريخچه و کاربرد2
1-1-2-مفاهيم اوليه3
1-1-3-تقسيم بندي پلاسما8
1-1-4-توليد پلاسما11
1-1-5-برخورد در پلاسما11
1-1-6-واکنشهاي پلاسما12
1-2-پليمر18
1-2-1-درجه پليمريزاسيون18
1-2-2-تاريخچه پيدايش پليمرها18
1-2-3-خواص پليمر19
1-2-4-دماي انتقال شيشهاي براي پليمر (Tg)19
1-2-5-طبقهبندي پليمرها20
1-2-6-پيوندهاي عرضي در پليمرها23
1-3-پلاسما و پليمر23
1-3-1-سطوح پليمرها و برهمکنشها23
1-3-2-عمليات اصلاح سطح24
1-3-3-فرايند کسل25
1-3-4-پديده کو انچينگ25
1-3-5-فوتو فيزيک25
1-3-6-فوتو شيمي26
1-4-رنگينه آزو26
1-4-1-آزو بنزن…………………………………………………………………………………………………26
1-5-تئوري اسپکترو فوتومتري28
1-6-پليمرهاي آلاييده30
2فصل دوم : مواد و دستگاههاي مورد استفاده و روشها32
2-1-مواد32
2-1-1-پليمر پلي متيل متاکريلات32
2-1-2-حلال دي کلرو متان32
2-1-3-رنگينه آمينوآزوبنزن aniline yellow33
2-2-روش تهيه نمونه34
2-3-دستگاههاي مورد استفاده34
2-3-1-دستگاه اولتراسونيک35
2-3-2-دستگاه اسپين کوتر35
2-3-3-دستگاه طيفسنجي FT-IR35
2-3-4-دستگاه طيفسنجي جذبيUV/VIS37
2-3-5-دستگاه پلاسماي مورد استفاده38
2-3-6-دستگاههاي ايجاد کننده خلا39
2-3-7-نرم افزارهاي مورد استفاده39
2-3-8-تئوري اکسايتون کاشا40
2-3-9-روش کلي براي تحليل دادهها40
3فصل سوم : بحث ونتايج42
3-1آناليز FT-IR42
3-1-1-آناليز FT-IR مواد اوليه42
3-1-2-آناليز FT-IR براي اثر پلاسماي تخليه الکتريکي تابان RF44
3-1-3-آناليز FT-IR براي اثر پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC52
3-2-آناليز UV/VIS61
3-2-1-آناليز UV/VIS براي نمونههاي قرار داده شده در معرض پلاسماي RF61
3-2-2-آناليز UV/VIS براي نمونههاي قرار داده شده در معرض پلاسماي DC63
3-3-نتيجه گيري وبحث67
3-4-پيشنهادات68
فهرست منابع ………………………………………………………………………………………………………………… 69
فهرست اشکال
شکل ‏1-1 : پروب لانگموير داخل پلاسما6
شکل ‏1-2 : برخي از واکنشهاي مهم الکترون در پلاسما12
شکل ‏1-3 : نحوه انجام اچينگ17
‏شکل1-4 : نحوه تبديل ايزومر ترانس به سيس و بالعکس28
شکل ‏2-1 : ساختار مولکولي پليمر PMMA32
شکل ‏2-2 : سمت راست : ساختار مولکولي/ سمت چپ : مدل مولکولي رنگينه aniline yellow برگرفته از سايت ويکيپديا34
شکل ‏2-3 : شماي کلي نحوه عملکرد دستگاه طيفسنجي FT-IR36
شکل ‏2-4 : شکل طرح‌وار از دستگاه اسپكتروفوتومتر38
‏شکل3-1 : طيف FTIR حاصل از پليمر پلي متيل متاکريلات اوليه42
شکل ‏3-2 : طيف FTIR حاصل از رنگينه aniline yellow43
شکل ‏3-3 : before : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما / after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعد از قرار گيري در معرض پلاسماي RF تخليه الکتريکي تابان آرگون45
شکل ‏3-4 : before : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما / after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعد از قرارگيري در معرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان RF متان46
شکل ‏3-5 : before : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما / after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعد از قرار گيري در معرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان RF نيتروژن47
شکل ‏3-6 : before : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما / after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعد از قرارگيري در معرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان RF اکسيژن48
شکل ‏3-7 : تمام طيفهاي نمونهها بعداز پلاسماي تخليه الکتريکي تابان RF Ar: آرگون CH4:متان N2: نيتروژن O2: اکسيژن49
شکل ‏3-8 : شکل شماتيک شکسته شدن پيوند ميان اکسيژن و کربن توسط پلاسما و توليد فرمالدهيد51
شکل ‏3-9 : before : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما / after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعد از قرار گيري در معرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC گاز آرگون( نمونه در قطب مثبت)52
شکل ‏3-10 : before : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما / after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعد از قرار گيري در معرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC گاز آرگون ( نمونه در قطب منفي)53
شکل ‏3-11 : before : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما / after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعداز قرارگيري درمعرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC گاز متان (نمونه در قطب مثبت)54
شکل ‏3-12:e befor : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما / after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعد از قرار گيري در معرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC گاز متان ( نمونه در قطب منفي)55
شکل ‏3-13:e befor : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما/ after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعد از قرار گيري در معرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC گاز نيتروژن ( نمونه در قطب مثبت)56
شکل ‏3-14: before : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما / after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعد از قرار گيري در معرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC گاز نيتروژن ( نمونه در قطب منفي)57
شکل ‏3-15:e befor : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما / after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعد از قرار گيري در معرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC گاز اکسيژن ( نمونه در قطب مثبت)58
شکل ‏3-16:e befor : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه قبل از پلاسما / after : طيف نمونه پليمري آلاييده با رنگينه بعد از قرار گيري در معرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC گاز اکسيژن ( نمونه در قطب منفي)59
شکل ‏3-17 : طيف جذبي تمام نمونهها پس از قرارگيري در معرض پلاسماي RF Ar : آرگون CH4: متان N2: نيتروژن O2 : اکسيژن61
شکل ‏3-18 :طيف جذبي نمونهها پس از قرارگيري در معرض پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC Ar.pos:آرگون/قطب مثبت Ar.neg:آرگون/قطب منفي CH4.pos : متان/قطب مثبت CH4.neg : متان/قطب منفي N2.pos: نيتروژن/قطب مثبت N2.neg: نيتروژن/قطب منفي O2.pos:اکسيژن/قطب مثبت O2.neg:اکسيژن/قطب منفي64
فهرست جداول
جدول 3- 1 : عدد موج براي قلههاي طيف پليمر پليمتيلمتاکريلات و پيوندهاي مربوط به آنها43
جدول 3- 2 : عدد موج قلههاي طيف و پيوند مربوط به آنها44
جدول 3- 3 : جدول کيفي نمايش وضعيت پيوندهاي پليمر بعد از پلاسماي تخليه الکتريکي تابان RF با گازهاي مختلف50
جدول 3- 4 : جدول کيفي نحوه اثر پلاسماي تخليه الکتريک تابان DCبا گازهاي مختلف بر پيوندهاي پليمر60
جدول 3- 5 : جدول تاثير پلاسماي تخليه الکتريکي تابان RF بر محل قلههاي طيف جذبي UV/VIS62
جدول 3- 6 : نحوه اثر پلاسماي تخليه الکتريکي تابانRF برقلههاي حاصل از طيفسنجي جذبي UV/VIS63
جدول 3- 7 : جدول تاثير پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC بر محل قلههاي طيف جذبي UV/VIS65
جدول 3- 8 : نحوه اثر پلاسماي تخليه الکتريکي تابان DC با گازهاي مختلف بر قلههاي طيف جذبي UV/VIS66
مقدمه
پليمرها با توجه به قيمت ارزان و خصوصيات ويژهاي که دارند ميتوانند در صنايع و پزشکي کاربردهاي وسيعي داشته باشند از خواص مهم آن مي توان به همگني بالا ، چسبندگي فيزيکي و شيميايي ، استحکام مکانيکي مطلوب ، مناسب بودن براي استفاده در صنايع نانو و ميکرو اشاره کرد.]1[ وجود خاصيت نيم‌رسانايي در تعدادي از پليمرها، استفاده اين مواد را در ترانزيستورها و صنايع الکترونيک و سنسورها مهيا مي‌سازد.]2و3[
براي تغيير رفتار سطحي پليمرها روشهاي متعددي وجود دارد که در ذيل به بعضي از معايب و مزاياي آنها اشاره ميشود: از مزاياي روشهاي شيميايي ميتوان به سادگي و قيمت ارزان آن اشاره کرد و از معايب آن ميتوان استفاده از مواد سمي ، همگني اندک ، مواد آلاينده زياد و برخي مواد آلاينده مزاحم را نام برد. در روشهاي فيزيکي مثل کندوپاش با وجود اينکه مواد آلاينده و مزاحم کم مي باشد و از مواد سمي استفاده نمي شود ولي انرژي زيادي مورد نياز است که از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نيست. بنابراين استفاده از محيط پلاسما ميتواند يکي از انتخابهاي مناسب براي اين کار باشد زيرا هم مواد آلاينده، مزاحم وسمي در آن به کار نمي رود و هم اينکه انرژي کمتري براي اين کار مورد نياز است.]4[
در معرض پلاسما قرار دادن پليمرها باعث ايجاد تغييراتي درسطح آن مي‌شود و برخي از خواص آن را براي استفاده در صنعت بهبود ميبخشد از آن جمله مي توان به تغييراتي درميزان آبدوستي و آب‌گريزي و بار سطحي]5[، نابودي حفره‌هاي هواي ايجاد شده در سطح پليمر توسط پلاسما وافزايش رسانش الکتريکي آن]3[ اشاره کرد، و از اثرات ديگر پلاسما بر پليمرها تغيير در ضريب شکست و تغييرات در ميزان جذب فيزيکي يا شيميايي، شکست برخي پيوندهاي کووالانسي]6[ و افزايش انرژي سطح در پليمر مورد نظر ميباشد.]7[
پلاسما امروزه در زمينههاي مختلفي در هوا فضا ، پزشکي و صنعت به کار مي‌رود و يکي از کاربردهاي مهم آن، ايجاد تغييراتي در ماده بخصوص در سطح آن ميباشدکه اين تغييرات مي تواند فرايند نانوکردن، تغيير در مورفولوژي1 سطح ، باردار کردن سطح و تغييراتي در پيوندهاي شيميايي ماده باشد.]8[
با قرار دادن پليمرها در معرض پلاسما، خواص و اثراتي در آنها ايجاد ميشود که ميتوان از آن خواص در جهت بهرهبرداري بيشتر در انرژي ، صنعت وپزشکي استفاده کرد.که از آن جمله مي‌توان به تغييراتي در مورفولوژي سطح اشاره کرد]1[ و با برجسته کردن سطح ميتوان مساحت سطح تماس را افزايش داد و هم چنين مي توان به تغيير ميزان آبدوستي وآب گريزي سطح اشاره کرد.]4[
در اين پژوهش، سطح فيلم نازک2 پليمري تحت تاثير پلاسما مورد آزمايش و مطالعه قرار داده شده است و مشاهده شده است که پلاسما مي‌تواند اثراتي را در سطح پليمر باقي گذارد که ميتواند منجر به ايجاد پيوندهايي در سطح شود و برخي از خواص شيميايي و فيزيکي سطح را تغيير دهدکه در نتيجه تغيير اين خواص، بعضي از مشخصات سطح مثل آبدوستي و آب گريزي سطح تغيير ميکند.]9[
هدف از اين پژوهش ، بررسي تغييرات ايجاد شده از تحت تاثير قرار دادن پليمرهاي آلاييده با رنگينه به صورت لايه نازک در معرض پلاسما مي‌باشد. ازبرخي از اين تغييرات مي‌توان به افزايش يا کاهش ميزان برخي از گروههاي عاملي پليمر، شکستن و ايجاد پيوندهاي جديد اشاره کرد ونتايج تاثير پلاسماي تخليه الکتريکي تابان3 با جريان مستقيم ومتناوب و اثرگازهاي مختلف مورد مقايسه واقع ميشود و در کنار اين موارد مي توان رفتار رنگينه آلاييده در پليمر را نيز مورد مطالعه قرار داد.
فصل اول
بررسي منابع
فصل اول:بررسي منابع
در اين فصل به طور مختصر به بررسي اطلاعات موجود در زمينه پلاسما ، پليمر ، رنگينه و نحوه اثر پلاسما بر پليمر و يافتههاي موجود در اين زمينه ميپردازيم.
پلاسما
پلاسما گاز يونيزه و شبهخنثا4يي است که از ذرات باردار و خنثي تشکيل ميشود و رفتار جمعي از خود نشان ميدهد. واژه شبهخنثي به اين معني است که در پلاسما بارهاي مثبت و منفي وجود دارد و در عين حال اين بارهاي مثبت و منفي تقريباً برابر يکديگرند.[11و10]
تاريخچه و کاربرد
ابتدا اين گاز يونيزه بوسيله کروکز5، در سال 1879 بعنوان حالت چهارم ماده ناميده شد و 49 سال بعد در سال 1928 ، اين حالت چهارم ماده اسم خود را از ايروينگ لانگموير6 گرفت و او نام “پلاسما” را بر آن نهاد. [12]
پلاسما هم در طبيعت يافت مي شود و هم در آزمايشگاه و صنعت ساخته ميشود و هر دوي آنها شبهخنثي هستند. پلاسماي طبيعي بيش از 99% از جهان قابل ديد ما را تشکيل ميدهد. از پلاسماهاي طبيعي ميتوان کروناي خورشيدي، بادهاي خورشيدي، سحابيها، يونوسفر زمين، رعد و برق و شفق قطبي را نام برد. در آزمايشگاه، پلاسما بوسيله شعله، ليزر و تخليه الکتريکي ايجاد ميشود. پلاسما در صنعت در دستگاههاي برش، اسپري پلاسما و فرآيند اصلاح سطح به کار ميرود. همچنين پلاسماهاي ساخته بشر ميتوانند در سنتزهاي گرما هستهاي، الکترونيک، لامپهاي فلوئورسنت و … کاربرد داشته باشند و بسياري از کارخانههاي توليد کننده سخت افزارهاي کامپيوتري، تلفن همراه و تلويزيونهاي پلاسما، از تکنولوژي پلاسما کمک ميگيرند. و از ديگر کاربردهاي پلاسما ميتوان لايهنشاني ، ضد عفوني آب و هوا، سوزاندن زباله و مواد مضر وتبديل آنها به ترکيبات بيخطر را نام برد. [12-10]
مفاهيم اوليه
به طور کلي وقتي دما افزايش مييابد و ذرات ماده داراي انرژي ميشوند مواد از حالت جامد به مايع و از حالت مايع به گاز و در نهايت ميتوانند به پلاسما تغيير حالت دهند. واژه پلاسما براي توصيف ناحيهاي به کار ميرود که داراي گاز يونيزه با بارهاي مساوي از ذرات باردار منفي و مثبت باشد که لانگموير در مورد آن نوشت: ” پلاسما جز در نزديکي الکترودها که پوش پلاسمايي7 تشکيل ميشود شامل تعداد زيادي ذرات باردار است و فضاي بين الکترودها شامل ذرات باردار مثبت و منفي در حدود مساوي ميباشد.” پوشينه پلاسمايي از تجمع ذرات باردار بر روي الکترودها بوجود ميآيد و ذرات آزاد باردار الکتريکي (الکترونها و يونها) ، پلاسما را از لحاظ الکتريکي رسانا ميسازند که حتي پلاسما در مواردي ميتواند خاصيت رسانندگي بيشتري از طلا و مس داشته باشد.[11]
ذرات موجود در پلاسما
پلاسما داراي انواع مختلفي از ذرات، از قبيل ذرات باردار (الکترون، يون هاي مثبت و منفي) ، اتم ها و مولکولهاي تهييج شده (از لحاظ گذار الکتروني و لرزشي) ، ذرات خنثي و راديکالهاي فعال ميباشد که علاوه بر آنها پلاسما ميتواند فوتونهايي در بسامدهاي مختلف ، مثل نور مرئي و فوتون هاي فرابنفش از خود گسيل کند، که هر کدام از اين ها مي توانند نقش خاص خود را در فرايندهاي فيزيکي و شيميايي پلاسما بازي کنند.[13-11]
چگالي ذرات
به نسبت تعداد ذرات يک گونه در پلاسما به واحد حجم اطلاق ميشود که در دماهاي بالا ذرات بدليل درجه يونيزاسيون بالا داراي چگالي بيشتري هستند، زيرا انرژي بيشتري صرف يونيزه شدن گازهاي موجود در پلاسما ميشود.چگالي پلاسماهاي موجود در آزمايشگاه بين(m-3) 107 تا(m-3) 1032 ميباشد. [11]
دماي پلاسما
در هر گازي براي پلاسما، دما به متوسط انرژيهاي ذرات پلاسما (باردار و خنثي) و درجات آزادي آنها (انتقالي، چرخشي، ارتعاشي و تهييج الکتروني برخي ذرات) مربوط ميشود. بنابراين پلاسما که داراي چند گونه ذرات ميباشد، مي تواند داراي چند دماي مختلف مربوط به هر يک از آن گونهها باشد. [14و13]
ولي براي محاسبه دماي ذرات ، فقط حالات انتقالي را که بيشترين سهم را در تعيين دماي ذرات دارد را در نظر ميگيرند، به عبارتي، انرژي جنبشي انتقالي ذره را مدنظر قرار ميدهند. با در نظر گرفتن کشسان بودن بيشتر برخوردها، سرعت اکثر ذرات از قانون توزيع سرعت ماکسولي8 تبعيت ميکند. [10و15]
براي يک بعد داريم:
(1-1)
K ثابت بولتزمان9 و m جرم ذره و T دماي ذره مي باشد.
ميتوان با استفاده از اين معادله ، تابع توزيع انرژي جنبشي متوسط ذره را بدست آورد:
(1-2)
که بدست ميآيد:
(1-3)
با توجه به اينکه تابع توزيع سرعت ماکسول ، همسانگرد است، ميتوان مقدار متوسط Eav را براي سه بعد بدست آورد:
(1-4)که براي هر درجه آزادي مقدار Eav ، 1/2KT مي باشد.
چون T و Eav رابطه بسيار نزديکي با هم دارند در نتيجه در فيزيک پلاسما معمولاً دما را بر حسب واحدهاي انرژي بيان ميکنند. براي اجتناب از اشتباه، در نشان دادن تعداد ابعاد موجود براي نشان دادن دما به جاي Eav از انرژي متناظر باKT استفاده ميکنند داريم:
(1-5)
ثابت بولتزمان
پس، ميباشد،بنابراين،منظور از پلاسماي دو الکترون ولتي يعني kT= 2ev است.
پلاسماهاي مصنوعي و ساخته بشر در يک گسترده وسيعي از فشار و دماي الکتروني و چگالي الکتروني ميباشند، که مي توانند گاهي داراي دماهايي قابل مقايسه با دماي ستارگان باشند بيشتر پلاسماهاي مورد کاربرد در آزمايشگاههاي پلاسما از نوع تخليه الکتريکي ، دمايي حدود ev 2-1 و چگالي الکتروني بين cm-3 108 – 106 دارند. [11]
مواردي که براي معادلات بالا در نظر گرفته شده به شرح زير مي باشد:
1) برخورد بين ذرات، مستقل ازميدانها ميباشد تا بتوانيم تابع توزيع سرعت فوق رابراي پلاسما به کار بريم.
2) حرکت ماکروسکوپي ذرات در اثر ميدانهاي خارجي ميباشد.
3) تابع توزيع سرعت ذرات از حرکت ذرات ماکروسکوپي تعيين ميشود.
پوشينه پلاسما
در سطوحي که پلاسما آغاز و ختم مي شود و يا ساير سطوحي که مي توانند ميدان را به خود جذب کنند يک سري ذرات باردار انباشته ميشود که داراي ضخامت کوچکي ميباشد که به آن پوشينه پلاسما ميگويند. هر چه بيشتر در عمق اين پوشينه پيش رويم پتانسيل الکتريکي کمتر ميشود.[15]
طول دباي10
اگر داخل پلاسما يک گلوله باردار که متصل به يک منبع داراي پتانسيل قرار بگيرد، به عبارتي داراي پتانسيل الکتريکي ثابت باشد؛ اين گلوله ذراتي با بارهاي مخالف را جذب ميکند و تقريباً بلافاصله ابري از يون ها اطراف گلوله منفي و يا ابري از الکترون ها اطراف گلوله مثبت ايجاد ميشود.[10] که اگر معادله پواسون يک بعد براي ذرات با بار منفي در نظر بگيريم، آنگاه داريم:
شکل ‏1-1 : پروب لانگموير داخل پلاسما [10]
(1-6)
V : پتانسيل الکتريکي
x : فاصله
n: چگالي عددي ذرات باردار
e: بار يک الکترون
: عبوردهي الکتريکي خلاء
(1-7)
XD : طول دباي است که مي توان اطلاعاتي از جمله چگالي ذرات پلاسما را از آن استخراج کرد. اولين بار لانگموير اين کار را براي بدست آوردن اطلاعاتي از پلاسما بدست آورد که به روش پروب11 لانگموير موسوم است.[15]
درجه يونيزاسيون12
به نسبت چگالي عددي ذرات يونيزه شده به چگالي عددي کل ذرات ، درجه يونيزاسيون مي گويند. پس اگر همه ذرات يونيزه شوند درجه يونيزاسيون يک است.[11]
تعادل در پلاسما
حالتي تعريف مي شود که در آن حالت ، دماي الکترون، يون و ذرات خنثي با هم برابر باشند.[11]
تقسيمبندي پلاسما
پلاسما را از نقطه نظرات گوناگون از لحاظ دما، درجه يوانيزاسيون، حالت تعادل و شکل الکترودها و … تقسيمبندي ميکنند.[16و17]
پلاسماي تعادلي13 و غير تعادلي14
پلاسماي تعادلي از قوانين تعادل ترموديناميک پيروي ميکند و داراي دماي يکسان در هر نقطه از فضا ميباشد يونيزاسيون و فرايندهاي شيميايي در اين گونه از پلاسما بوسيله دما تعيين ميشود. پس در پلاسماهاي تعادلي دماي الکترون ها و ذرات سنگينتر تقريباً با هم برابر است. در غير اين صورت، پلاسما، پلاسماي غيرتعادلي ناميده ميشود و دماي الکترونها خيلي بيشتر از دماي ذرات سنگين است. از پلاسماهاي تعادلي ميتوان پلاسماي قوس الکتريکي در فشار اتمسفر را نام برد و پلاسماي تخليه الکتريکي تابان در فشارهاي پايين از نوع پلاسماهاي غيرتعادلي مي باشد.[15]
تقسيم بندي پلاسما براساس درجه يونيزاسيون
پلاسماي کاملاً يونيزه
اين گونه از پلاسما داراي درجه يونيزاسيون بالاتر از 90% ميباشد و ذرات خنثي اثر کمي در اين پلاسما دارند به اين پلاسما، پلاسماي داغ نيز ميگويند.[14و13]
پلاسماي اندکي يونيزه
درجه يونيزاسيون اين گونه پلاسما کمتر از 1% مي باشد و اثر الکترونها ، اثر موثر است. به اين پلاسما، پلاسماي سرد نيز مي گويند. [14و13]
پلاسماي بخشي يونيزه
درجه يونيزاسيون اين پلاسما ، مابين پلاسماي کاملا يونيزه و پلاسماي اندکي يونيزه مي باشد. پلاسماي اندکي يونيزه و پلاسماي بخشي يونيزه در بيشتر مواردساخته دست بشر يافت مي شوند ولي پلاسماي کاملاً يونيزه در موارد معدودي مثل گداخت15 هسته اي يافت مي شود و پلاسماي کاملاً يونيزه هيدروژن، بيشتر جهان را اشغال کرده است. و اين گونه پلاسماها غير تعادلي ميباشند. [13]
پلاسماهاي حرارتي16 و غير حرارتي17
در اين تقسيم بندي، مقايسه دماي ذرات خنثي درون پلاسما و دماي احتراق گاز مورد استفاده درپلاسما در حالت عادي خارج از پلاسما ، مدنظر است.[17]
پلاسماهاي گرمايي
در اين نوع از پلاسما دماي ذرات گاز خنثي در شرايط معمولي از دماي احتراق و تجزيه همان گاز در حالت پلاسما کمتر يا مساوي است معمولاً در اين گونه از پلاسماها، دماي الکترون و دماي ساير ذرات باهم برابر ميشوند که در آن صورت جزو پلاسماهاي تعادلي نيز قرار ميگيرد. اين گونه پلاسماها دماي کمي دارند.
پلاسماهاي غيرگرمايي
در اين گونه پلاسماها دماي ذرات گاز خنثي در پلاسما خيلي بيشتر از دماي احتراق گاز مورد استفاده در پلاسما است که دماي اين گونه پلاسماها خيلي بالاست و معمولاً در اين نوع پلاسماها دماي الکترون از دماي ساير ذرات خيلي بيشتر است که مي توان ترتيب دماي ذرات مختلف را به صورت زير نوشت:
Te : دماي الکترون
Tv : دماي مولکولهاي تهييج شده لرزشي
Tr : دماي مولکولهاي داراي حرکت چرخشي
Ti : دماي يونها
T0 : دماي ذرات سنگين خنثي
تحت شرايطي دماي الکترون مي تواند حدود ev 1 (حدود 0k 000/10) باشد در حالي که دماي گاز در حد دماي اتاق است.
تقسيم بندي پلاسما براساس جريان و ولتاژ و فشار گاز پلاسما و شکل فيزيکي الکترودها
پلاسما را براساس مشخصههاي جريان ، ولتاژ ، شکل فيزيکي الکترودها و فشار گاز هم، تقسيمبندي ميکنند که مي تواند بر حسب جريان مستقيم و متناوب در پلاسما و شکل الکترودهاي آن به انواع تخليه کرونا، تخليه الکتريکي تابان و تخليه قوس الکتريکي پلاسما و … تقسيم شود که دو نوع آن در زير مطرح شده است.[17]
پلاسماي تخليه الکتريکي تابان18 با جريان مستقيم19 (DC)
در اين نوع پلاسما، الکترودها به صورت سطوحي صاف هستند که موازي يکديگر قرار ميگيرند و فشار در اينگونه پلاسماها، توسط دستگاههاي ايجاد کننده خلا کاهش مييابد و در محدوده pas 100-10قرار ميگيرد و ولتاژ در اين پلاسماها در حدود V 5000-100 مي باشد که اين پلاسما در گستره پلاسماهاي غيرتعادلي و غيرحرارتي مي باشد که درآن دماي الکترونها بالاست ولي دماي يونها و ذرات خنثي پايين است.[15]
پلاسماي تخليه الکتريکي تابان با جريان متناوب20 در فرکانس راديويي (RF)
در اين نوع پلاسما هم، الکترودها به صورت سطوحي صاف هستند که موازي يکديگر قرار مي گيرند و فشار نيز، مشابه حالت بالا در محدوده pas 100-10 قرار مي گيرد و ولتاژ نيز در حدود V 5000-100 ولي به صورت متناوب مي باشد و فرکانس تغيير ولتاژ در مقياس فرکانس امواج راديويي از مرتبه مگاهرتز مي باشد؛ و با تغيير جهت ميدان الکتريکي در پلاسما، جهت حرکت ا لکترونها و يونها تغيير ميکند و فرکانسي که به طور معمول به کار مي رود MHz56/13 است تا از تاثير امواج ايجاد شده بر ساير دستگاههايي که از امواج استفاده ميکنند جلوگيري شود.[15]
پلاسماهاي غيرحرارتي معمولا در فشار پايين و توانهاي پايين توليد ميشوند و در تخليه الکتريکي تابان، اين نوع از پلاسما ايجاد ميشود.[17]
توليد پلاسما
در فرايند توليد پلاسما الکترون از گاز خنثي گرفته ميشود و اتم ها و مولکول هاي گاز ، يونيزه ميشوند و پس از آن آبشاري از واکنشها و انتقالات انرژي بين ذرات؛ و ذرات و سطوح ميتواند رخ دهد. پس انرژي مورد استفاده ، براي تخليه الکتريکي براي يونيزاسيون گاز به کار مي رود. واژه يونيزه به اين مفهوم است که حداقل يک الکترون از اتم يا مولکول گرفته شود و در پلاسماي معمولي حداکثر يک الکترون از اتم يا مولکول گرفته ميشود و اتم يا يون يک بار مثبت توليد ميکند. [18]
برخورد در پلاسما
با توجه به وجود ذرات مختلف ، اين ذرات مي توانند با يکديگر برخورد کرده و انرژيهايي را به يکديگر انتقال دهند و فشار موجود در پلاسما به دليل وجود اين برخوردهاي الاستيک و غيرالاستيک و در نتيجه آن، برخورد با ديوارهها طبق نظريه جنبشي گاز محاسبه ميشود پس برخوردها در پلاسما به دو نوع الاستيک و غيرالاستيک تقسيم مي شوند.[18و15]
برخورد الاستيک21
در اين نوع برخوردها ، انتقال انرژي جنبشي از يک ذره به صورت انرژي جنبشي ذره ديگر ظاهر ميشود.[18]
برخورد غير الاستيک22
در اين نوع برخوردها ، انتقال انرژي از انرژي جنبشي ذرات برخورد کننده به انرژي دروني آن ها تبديل ميشود و مي تواند باعث برخي فرايندها مثل يونيزاسيون در آن شود.[18]
واکنشهاي پلاسما
در پلاسما در نتيجهي برخوردها، واکنشهايي صورت ميگيرد که از آن جمله ميتوان به يونيزاسيون در نتيجه برخورد ذرات موجود در پلاسما با يکديگر، فوتويونيزاسيون به دليل برخورد فوتونهاي پرانرژي با ذرات و يونيزاسيون سطحي در اثر برخورد ذرات و فوتونها با سطح اشاره کرد.[11] و از نظر ديگر ميتوان واکنشهاي پلاسما را به دو دسته همگن و ناهمگن23 تقسيم کرد.[19]
شکل ‏1-2 : برخي از واکنشهاي مهم الکترون در پلاسما [20]
واکنشهاي همگن
به سبب برخوردهاي غيرالاستيک بين ذرات موجود در پلاسما رخ ميدهد.[19]
واکنش يونهاي مثبت
باز ترکيب يون – الکترون در پلاسما
باز ترکيب يون – الکترون يک واکنش گرمازاست.
که در صورت زياد بودن انرژي الکترون ممکن است يک حالت تهييجي مثل (AB)* ايجاد شود که ناپايدار است و به دو جزء B* و A تبديل شود.[11]
باز ترکيب يون – اتم سه جزئي در پلاسما
يونهاي تک اتمي مي توانند با اتم ها ترکيب شوند.[11]
اين واکنش يک واکنش يون – اتم سه جزئي است که يک اتم A با اتم ديگر برخورد ميکند و پس از انتقال انرژي به اتم ديگر در نزديکي يون با يون +A ترکيب ميشود. [11]
خنثيسازي الکترون – يون به صورت سه جزئي
برخوردي بين دو الکترون رخ ميدهد و انرژي اضافي الکترون در برخورد، در نزديکي+A رخ ميدهد باعث ايجاد اتم تهييج شده A* ميشود.[11]
تابش انرژي بازترکيب
انرژي باز ترکيب الکترون بايون مثبت باعث ايجاد اتم تهييجي ميشود که ميتواند منجر به آزادسازي انرژي به صورت فوتون شود.[11]
واکنش يون منفي
واکنش ترکيب با الکترون و توليد يون منفي
حالت تهييجي (AB-)* ناپايدار است و تفکيک اتمي در آن صورت ميگيرد. [11]
واکنش الکترون به صورت سه جزئي
واکنش سه جزئي گرمازاست و به دماي الکترون بستگي ندارد.[11]
واکنش يون منفي – ذرات تهييج شده
بازترکيب يون هاي مثبت و منفي
باز ترکيب يون – يون در ترکيب دوتايي
در برخوردهاي دوتايي بين آنيون و کاتيون ، انرژي اضافي ميتواند تبديل به حالت تهييجي الکتروني يک مولکول خنثي ويا دو اتم يکي خنثي و ديگري در حالت تهييجي گردد که در فشارهاي پايين رخ ميدهد.[11]
باز ترکيب يون – يون سه جزئي
که اين فرايند اولين بار براي فرايندهاي سه جزئي بوسيله تامسون24 و لانگوين25 مطرح شد و سپس فرايند خنثيسازي در فشارهاي متوسط رو به بالا انجام ميگيرد.[11]

واکنشهاي جدا کننده

يونيزاسيون ساده
واکنش هاي ناهمگن
اين واکنشها از برهمکنش سطح جامد با پلاسما ايجاد مي شود.[19]
جذب سطحي
مولکول M يا راديکال R يا مونومر M از پلاسما بوسيله سطح جذب مي شود.[19]
g : گاز s: جامد
باز ترکيب
در اين مورد ، اتم ها يا راديکالها از پلاسما با ذرات جذب شده قبلي توسط سطح، واکنش ميدهند و ترکيبات M را ايجاد ميکنند. [19]
I : حالت يونيزه يا تهييجي يا با انرژي بالا و يا راديکال فعال
برگشت به حالت پايه توسط سطح
ذرات تهييجي که غير پايدار هستند پس از برخورد به سطح انرژي خود را به سطح منتقل ميکنند و به حالت پايه بر ميگردند.[19]
کندوپاش26
يک يون که با سطح برخورد مي کند و موجب انتقال اندازه حرکت مي شود ، باعث خروج يک اتم از سطح مي شود. براي فرايند کندوپاش ، ذرات بايد داراي انرژي ev30-20 باشند[19] و براي اين کار معمولا گازهاي آرگون ، تترافلوئوروکربن و هليوم به کار مي روند اتم هاي اسپاترشده دوباره ميتوانند در فاز جامد بر روي سطحي دلخواه در پلاسما متراکم شوند که براي توليد فيلم نازک بخصوص در صنعت نيمههادي مورد استفاده قرار ميگيرد.[11و15]
اچينگ27
در پلاسماهاي تخليه الکتريکي ، گونهها و ذرات فعالي توليد ميشوند که ميتوانند با سطح برخورد کنند و واکنشهايي انجام دهند و سپس محصول نهايي را از سطح جدا کنند که بدين صورت عمق قابل توجهي از سطح مواد را، اچ ميکند. به عنوان مثال پلاسماي گاز CF4 ، داراي اتمهاي فلوئور ميباشد و ذرات ايجادشده مي توانند واکنش زير را انجام دهند و ذراتي رااز سطح جدا کنند.[19و15]
?Si?_((s))+4F?Si F_((g))
شکل ‏1-3 : نحوه انجام اچينگ [21]
پليمر28
پليمر متشکل از مولکولهاي بزرگي است که از تعدادي مولکول کوچک (مونومر) ساخته ميشود و به فرايندي که طي آن مولکولهاي کوچک به هم وصل ميشوند پليمريزاسيون29 ميگويند.[22] و هر چه اين واحدهاي مولکولي بيشتر باشد ، وزن مولکولي پليمر نيز بيشتر ميشود اين مولکولهاي بزرگ ميتوانند خطي يا شاخهدار يا داراي اتصالات داخلي متعددي باشند در صورت وجود اتصالات داخلي، شبکهاي بزرگ ومعمولا سه بعدي ايجاد ميکنند. در زنجيرههاي پليمري اتمهايي همانند اکسيژن، هيدروژن، کربن، سيليکون، کلر ، فلوئور و گوگرد ميتوانند قرار بگيرند.[23]
درجه پليمريزاسيون
اندازه يک مولکول پليمر ميتواند برحسب جرم آن ، يا واحدهاي تکرار شونده در مولکول، بدست آيد. تعداد اين واحدها، درجه پليمريزاسيون30 (DP) ناميده ميشود. بنابراين جرم مولي نسبي پليمر، از حاصلضرب جرم مولي نسبي واحد تکرار شونده در DP بدست ميآيد.[22]
تاريخچه پيدايش پليمرها
واژه پليمر از کلمات يوناني poly به معني بسيار و meros به معني قسمت گرفته شده است؛ بشر با تلاش براي دستيابي به مواد جديد با استفاده از مواد آلي (عمدتاً هيدرو کربنها) که در طبيعت يافت مي شد موفق به توليد مواد مصنوعي شد که اين مواد عمدتاً شامل عنصرهاي کربن ، هيدروژن ، اکسيژن ، نيتروژن ، گوگرد بوده و به نام مواد پليمري معروفند. و امروزه به مولکول هاي غول آسايي (ماکرومولکول) اطلاق مي شود که از واحدهاي مونومري متعدد داراي اتصالات داخلي ساخته مي شود. واژه ماکرومولکول را در دهه 1920 ، هرمان اشتودينگر31 ابداع کرد اين واژه به معني مولکول بزرگ بود و ريشه يوناني داشت که امروزه براي پليمر به کار مي رود، اگر چه اين دو واژه امروزه، دقيقا هممعني نيستند. در حدود سال 1930 ، اشتودينگر و سايرين شواهدي را مبني بر فرضيه ماکرومولکولي جمع آوري کردند بخش نهايي در اين باره توسط والاس کاروترز32 آشکار شد وسپس نه تنهارابطه بين ساختار و خواص براي تعدادي از پليمرها توسط اشتودينگر آشکار شد ؛ بلکه موادي از جمله لاستيک نئوپرن و نايلونها نيز توسط او توليد شد که اهميت اقتصادي زيادي داشتند.[22]
خواص پليمر
پليمرها خواص فيزيکي و مکانيکي نسبتاً خوبي دارند آنها داراي چگالي پايين نسبت به مواد فلزي هستند و پايداري خوبي در مقابل برخي مواد شيميايي دارند ، بعضي از آن ها شفاف بوده و مي توانند جايگزين شيشه شوند. اغلب پليمرها عايق الکتريکي هستند اما پليمرهاي خاصي، قابليت هدايت الکتريکي از خود نشان مي دهند. عايق بودن بسياري از اين پليمرها بدليل پيوند کوالانسي موجود بين اتم ها در زنجيرههاي مولکولي ميباشد. ولي با نفوذ دادن عناصري مثل فلزهاي قليايي، هالوژنها و رنگينهها (فرآيند آلاييدن33) به زنجيرهاي مولکولي اين مواد ، ميتوان نيمه هاديهاي پليمري از نوع N و P بدست آورد.[24]
دماي گذار شيشهاي34 براي پليمر (Tg)
براي پليمرها در پايين تر از اين دما ، پليمر سخت و شکننده مي شود مثل پلاستيکي که در زمستان و در هواي سرد قرار داده مي شود. برخي پليمرها در پايين تر از دماي Tg و برخي ديگر در بالاتر از دماي Tg به کار ميروند.[25]
دماي گذار شيشهاي براي فيلم هاي نازک پليمري
دماي گذار شيشهاي پليمر براي سطح آن ميتواند کمتر از دماي Tgبراي حجم پليمر باشد[25] که دلايلي که براي اين امر در نظر ميگيرند عبارتند از:
1)فضاي آزاد بيشتري براي سطح وجود دارد.
2)زنجيرههاي پليمر نزديک سطح راحتتر ميتوانند بشکنند.
پس دماي انتقال شيشهاي فيلمهاي پليمري با کاهش ضخامت فيلم، کاهش مييابد.به عنوان مثال انرژي پيوند ساده C-C براي پليمرها، بين kJ/mole347 تا kJ/mole356 ميباشد که اين مقدار در سطح پليمرها کاهش مييابد.[11]
طبقهبندي پليمرها
روشهاي متعددي براي طبقهبندي پليمرها وجود دارد، ميتوان پليمرها را براساس رفتار در برابر حرارت، پليمريزاسيون، آرايش مولکولي، خواص مکانيکي- حرارتي، ساختار مولکولي و نظم فضايي و…تقسيم کرد.
طبقه بندي پليمرها از لحاظ رفتار حرارتي آنها
پليمرهاي گرمانرم(ترموپلاستيک35 )
ترموپلاستيکها ،پليمرهايي هستند که هنگام حرارتدهي، ذوب شده و هنگام سردکردن ، جامد ميشوند ترموپلاستها، مولکولهايي خطي و يا مولکولهايي با شاخههاي کم هستند.اين پليمرها ميتوانند به دفعات ذوب و دوباره جامد شوند چنين پليمرهايي درحالت مذاب مانند مايعات جاري ميشوند پليمرهاي گرمانرم در دماي بيش از دماي انتقال شيشهاي ((Tg خود منعطف هستند و در دماي کمتر از نقطه ذوب خود حاوي مناطق بلوريني هستند که بين نواحي بيشکل قرار دارند. نواحي بيشکل ، ويژگي کشساني و نواحي بلورين ، استحکام و صلبيت به ماده ميبخشند و در دماي بيش از نقطه ذوب ، نواحي بلورين از بين رفته و گرانروي به شدت کاهش مييابد. تقريباً 85% از پليمرهاي توليدي در سراسر دنيا ترموپلاستيک هستند.[22]
پليمرهاي گرماسخت(ترموست36 )
ترموستها، پليمرهايي هستند که هنگام حرارتدهي ذوب نشده و در دماهاي بسيار بالا به صورت برگشتناپذير تجزيه ميشوند. ترموستها معمولا ترکيباتي با اتصالات عرضي و شبکه سه بعدي گسترده از پيوندهاي شيميايي هستند. در اين پليمرها در اثر حرارت پيوندهاي عرضي با واکنش هاي شيميايي ايجاد ميشود در نتيجه وزن مولکولي متوسط آنها بالا رفته و به حالت يکپارچه صلب در ميآيند. اتمهاي کربن تمايل به تشکيل پيوندهاي کووالانسي محکمي دارند بدين ترتيب ميتوانند زنجيرهها و حلقههاي کوچک و بزرگ بسياري ايجاد کنند و اين ويژگي سبب شده که از کربن ترکيبات شيميايي بيشماري بوجود آيد.[22]
تقسيم بندي پليمرها برمبناي ماهيت واکنشهاي شيميايي
اين سيستم طبقهبندي توسط کاروترز در سال 1929 ارائه شد که بر مبناي ماهيت واکنشهاي شيميايي انجام شده در پليمريزاسيون ميباشد.[22و23]
پليمرهاي تراکمي
پليمرهاي تراکمي، پليمرهايي هستند که در هنگام واکنش پليمريزاسيون مولکولهايي کوچک مثل آب تشکيل ميشوند.
پليمرهاي اضافي
پليمرهاي اضافي، پليمرهايي هستند که از واکنشهاي اضافي يک مونومر غير اشباع تهيه ميشوند.
تقسيم بندي پليمرها



قیمت: تومان


پاسخ دهید