APLICAÇÕES DE FÍSICA E QUÍMICA DE PLASMAS: PESQUISAS DESENVOLVIDAS NO ITA

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1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA LABORATÓRIO DE PLASMAS E PROCESSOS (LPP) DEP. DE FÍSICA I EVFITA APLICAÇÕES DE FÍSICA E QUÍMICA DE PLASMAS: PESQUISAS DESENVOLVIDAS NO ITA Prof. Dr. Homero Santiago Maciel homero@ita.br

2 Plasma Research: From Nature to the Market

3 Plasma Research: From Nature to the Market Plasma is by no means a human invention. It is found in the stars - including our Sun, in the tails of comets, and in flashes of lightning. The Northern Lights, too, are a plasma phenomenon. The word plasma comes from the Greek and means form or shape, but also that which is formed. Incidentally, the cellfree fluid of the blood and also a semiprecious stone, a type of jasper, also bear the name plasma. Technical plasmas today find a wide range of applications in the most diverse branches of manufacturing, including the production of many modern household objects. These manifold applications owe their existence to intensive research and development work in this young field of technology.

4 Plasma Research: From Nature to the Market

5 DC ARC REGIMES: Thermal and Nonthermal T (ºK) ev p, Torr Nonthermal arc T e T g Room Temperature Thermal arc 1 ev 0.1 ev ev p, Torr One atmosphere T (ev) The operation of arcs as function of pressure

6 Densities and energies for various species in a typical cold plasma η (cm -3 ) Etch gas Etch product Free radicals Plasma ions Plasma electrons Bombarding ions T or (ε) (V)

7 Types of plasma processes for different ranges of gas pressure Log pressure (torr) atmosphere Ion-assisted damage etching Inhibitor Ion-enhanced etching Sputter Etching Plasma Source Ion Implantation Plasma Sintering Chemistry Thermal Processes Plasma Deposition Plasma Polymerization Chemical Etching Plasma Spray TPCVD Plasma Metallurgy Physical to Chemical to Thermal

8 Gas Temperature X Electron Temperature Gas Temperature (ºC) arc Dielectric barrier Plasma jet corona Low pressure Electron Temperature (ev) Densities of charge species Densities in the of plasma Oxygen discharges species in the plasma discharge Source Plasma Source Plasma density (cm -3-3 )) Low-pressure O discharge +, O 2+, O- O O 3 Low-pressure Arc and plasma discharge torch 14 <10 10 Arc and plasma <10 16 torch Corona Corona Dielectric Dielectric barrier barrier Plasma jet discharge Plasma jet Comparison of the gas and electron temperatures for different atmospheric-pressure plasmas versus low-pressure plasmas

9 Diversity of applications: Biomedicine Automobiles National Defense Aerospace Optics Computers Technological Applications of plasmas Solar Energy Waste Management Paper Textiles Telecommunications Plasma characteristics of industrial interest 1. Plasma can have temperature and energy densities higher than can be achieved by any chemical or other means. 2. Plasma can produce energetic active species which initiate physical changes or chemical reaction that could hardly occur in ordinary chemical reaction.

10 Plasma in micro-fabrication silicon 0.2 μm For microfabrication of an Integrated Circuit, 30% - 50% of the tens to hundreds of fabrication steps are typically plasma-based.

11 Plasmas technologies in integrated circuit fabrication: etching, deposition, cleaning and stripping Integrated Circuit, or die, for Motorola s Power PC 620 microprocessor has nearly seven million transistor. Modern Pentium chip: 500 million micron sized transistors, capacitors, resistors and diodes formed in a Si substrate.

12 Plasma Gasification of MSW

13 Heat Source Conventional combustion Plasma torch heating

14 Thermal Plasma Reactor TORCH Rectifier Cooling tower Waste feed 50% N C GAS 20% H 2 30% CO Melted slag Contaminated soils Solid and liquid organic wastes Ash Hazardous metal wastes Industrial wastes Hospital wastes

15 Grupo de Plasma do ITA Pesquisadores: Homero Santiago Maciel PhD Choyu Otani Dr em FísicaF Marcos Massi Dr em Eng. Elétrica Gilberto Petraconi Filho Dr em FísicaF Wilfredo Irrazabal Urruchi Dr em Física F Marisa Roberto Dr em Física F Jorge Carlos Narciso Dutra Dr em Eng.* Maria Antônia Dr em Eng Pós s Doutoranda ** Ivo de Castro Oliveira Dr em Eng Kornely Grigorov Dr em Eng *** (Pesq( Pesq.. Visitante) Alexei M. Essiptchouk Dr em Eng Pós Doutoran Leonid I. Charakhovski Dr em Eng Pós s Doutorando Estudantes Iniciação Científica: Caio Marques Fontenele Martha Priscilla M. Torres André Carlos Fraile Junior Janilo Saraiva Lucas Gurgel 12 pesquisadores 22 estudantes Estudantes de Doutorado: Edson de Aquino Barros MSc em FísicaF Alberto Carlos Pereira Filho MSc em FísicaF Léa Nogueira Nishioka MSc em Eng Maria Margareth da Silva MSc em Eng Maciel Guerino MSc em Eng Rodrigo Sávio S Pessoa MSc em FísicaF Luis Fernando Q. P. Marchesi MSc em Eng Mariana Amorim Fraga MSc em Eng Estudantes de Mestrado: Gilberto Murakami Samir Munir Rajab Fernando Fernandes Pereira Fernando Marques Freitas Jossano Mancuso Daniela Genovesi Joana Heller de Moraes Maurício Roque de Brito Helson Toku * AMR/CTA ** IPT *** Cooperação com Academia Bulgara de Ciências

16 Colaborações Acadêmicas USP - LSI IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas CTA - IAE CTA - IEAv INPE - LAS, LAP UFMG - Instituto de Física UNICAMP - Lab. Plasmas Industriais Academia Búlgara de Ciências Université de Nantes - França

17 LPP - LABORATÓRIO DE PLASMAS E PROCESSOS Áreas de Investigações em Física e Tecnologias de Plasmas Desenvolvimento de reatores a plasmas frios Estudo de fenômenos não-lineares em plasmas Jatos de plasmas e feixes de partículas carregadas Plasmas para processos de microeletrônica Modelagem e simulação numérica em plasmas frios Tratamento de materiais, deposição e corrosão a plasma Descarga a barreira dielétrica para geração de ozônio Tecnologias de aplicação do ozônio Combustão assistida por plasma Reformação por plasmas (geração de gás de síntese, hidrogênio) Jatos de plasmas térmicos para simulação de ambiente de reentrada

18 Infraestrutura Reatores para estudos e processos por plasmas frios: magnetron sputtering, plasma etching, jato de plasma, catodo oco, plasma magnetizado... (8 unidades). 80 kw de potência instalada. 6 linhas de gases especiais: Ar, N 2, O 2, H 2, CH 4 e ar comprimido. Água filtrada para refrigeração. Sala limpa classe , com capela classe 100 para limpeza de substratos e processamento de materiais (Processo FAPESP no. 2000/ ). Laboratório de caracterização: AFM, microscópio óptico, microbalança. Oficina mecânica. Lab. AFM Oficina de vidro.

19 Estudos e diagnóstico do plasma Partial Pressure (Pa) V d = 600 V m/z (amu/e) Electron Temperature - T e (ev) Electron Density - n e (10 17 m -3 ) 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Argon Nitrogen Cathode: Aluminium P = 13.3 Pa V d = 700 V d = ( ) cm 0,27 0,40 0,53 0,67 0,80 0,93 P.d (Pa.m) Gas: Nitrogen Cathode: Aluminum V d = 500 V P = 13.3 Pa d = (2,0-7,0) cm 8,3 0,27 0,40 0,53 0,67 0,80 0,93 P.d (Pa.m) B = 0 B = 9 mt 17,6 16,6 15,5 14,5 13,5 12,4 11,4 10,4 9,3 V p - V f (V)

20 Estudos e diagnóstico do plasma Diagrama esquemático da fonte de catodo oco magnetron e foto. Discharge Current (ma) 240 Gas: Argon Cathode: Aluminium 210 Pressure: 0,7 Pa 180 0,08 Pa hollow cathode magnetron planar magnetron Discharge Voltage (V)

21 Plasma de alta densidade - Descarga em regime de arco à baixa pressão Diagrama Esquemático do Aparato Experimental Tensão de descarga - V d (V) Argônio T = 289 K p = 6,0 x 10-2 torr Descarga em vapor de mercúrio e o gás argônio 240 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 corrente de descarga - I d (A) Vista da Armadilha de Nitrogênio Líquido

22 Reatores de Processamento de Materiais Deposição a Plasma de Filmes Finos de Nitretos Varredura de AFM em 3-D da amostra AlN-14 registrada em modo dinâmico. A rugosidade quadrática média é de 0,3 nm. Métodos de caracterização Microscopia Ótica Microscopia Electrônica de Varredura Microscopia de Força Atômica Espectroscopia Raman Difração de raios X Deposição a Plasma de Filmes Finos de Carbono - DLC

23 Corrosão a Plasma de Filmes Finos de Carbono - DLC Filme de carbono tipo diamante corroído por plasma de oxigênio. Imagem AFM de filmes de DLC não corroído (esquerda) e corroído com plasma de O 2 /Ar (direita).

24 Ativação de carbono assistida por plasma Volume adsrovido (cm3x10-3 ) Volume adsrovido (cm3x10-3 ) 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 diâmetro de poros (nm) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 diâmetro de poros (nm) Distribuição de poros obtidos em diferentes condições experimentais de plasma de oxigênio (340 min em fluxo de 30 e 90 sccm, respectivamente) Ativação de carbono assistida por plasma para produção de nanoporos Micrografia de carvão de Pinus - Ativação física

25 Túnel de plasma para simulação de condições de re-entrada Jatos de plasma subsonicos/supersonicos. Pesquisar e desenvolver métodos de testar materiais para escudos de proteção térmica durante a reentrada atmosférica.

26 Descarga de Barreira Dielétrica Aspecto físico de um gerador de ozono (capacidade nominal 25g/h a concentração de 3 %, utilizando oxigênio como matéria-prima) construído no LPP- ITA. Sistema de Produção de ozônio Ar seco ou Oxigênio Refrigeração Descarga de Barreira Dielétrica Ozônio Configuração básica Sistema de aplicação

27 Aplicações do Ozônio Tratamento d água de superfície (lagoas, ETA) Tratamento d água de piscinas Tratamento de efluentes domésticos e industriais Esterilização de atmosfera ambiental Remoção de cores, odores e sabores de água Industria de alimentos de bebidas Aplicações na medicina Agricultura hidropônica Tratamento d água de torres de resfriamento Processos de branqueamento celulose Processos de lavanderias (hospitalares) Degradação de agro tóxicos Tratamentos de chorume Síntese Química Industria de microeletrônica Limpeza de plantas de processos de alimentos Água para hemodiálise Aplicação em Odontologia Municipal ozone instalation for wastewater ozonation (Piracicaba). FAPESP -ITA- UNIMEP Efeito da atividade do ozônio nas células das bactérias totais no efluente doméstico.

28 Gliding Arc Plasma Tornado Combustão Assistida por Fonte de Plasma Plataforma experimental para produção de gás de síntese consistindo de unidade laboratorial no ITA, com instrumentos de leitura para estudos/otimização de parâmetros e consolidação de equipe.

29 Gliding Arc Plasma Tornado Combustão Assistida por Fonte de Plasma Aplicação em gaseificação

30 Parcerias com Empresas 1) Petrobrás / Multivácuo - Projeto Geraplasma Protótipo Turbina Estacionária a gás natural

31 Parcerias com Empresas 2) Petrobrás / Multivácuo - Projeto Peneira Molecular motor Esquema do reator industrial para ativação de carbono

32 Plasma groups in Brazil SC SP RN ES RJ UNICAMP IPT ITA INPE IEAv USP UNESP LUPATECH UFSC UDESC UFRJ UFES UnB UFRN ENGEPLASMA MULTIVÁCUO CLOROVALE DIAMANTES < >

33 UNICAMP Tokamak NOVA-UNICAMP (fusion plasma) Grupo Fusão < >

34 FÍSICA DE PLASMA X QUÍMICA DE PLASMA TECNOLOGIA DE PLASMAS

35 CONCLUSIONS 1) Plasma technologies, in Brazil, are already mature in some areas of plasma applications: ion-nitriding, thermal plasma waste remediation, ozone generators (DBD), plasma cleaning, plasma sintering, IIIP, electron ion and plasma sources, ion thruster for space satellites, materials processing with thermal and cold plasmas, plasma etching and deposition for microelectronics. 2) A few small industries already established: thermal plasmas for waste treatment and recycling plasma cleaning surface engineering/surface treatment materials processing Academy Industry Proof of principle ---incubation time Validated technology < >

36 Final Remarks 1) i)dielectric Barrier Discharge and Gliding Arc- nonthermal plasma applications are expanding faster than any other kind of plasma, at the moment: Non-thermal (not in equilibrium) high pressure plasma Low temperature plasma gas Low cost 2) Technological plasma not explored yet, in Brazil: Dense Plasma Focus (dense magnetized plasma) source of soft and hard X-Ray, source of energetic electron/ion or plasma streams, neutron sources, etc corona discharges < >