Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Il plasma

Definizione e nascita del termine

Assieme ai tre stati della materia ben noti sulla terra: solido, liquido, aeriforme, esiste un quarto stato: il plasma. Con il termine "plasma" si intende quello stato della materia caratterizzato dalla presenza di atomi o molecole che hanno subito un processo di parziale o totale ionizzazione. Consiste di particelle neutre, di ioni positivi (atomi o molecole che hanno perso uno o più elettroni) e di elettroni liberi. A livello microscopico, le particelle del plasma reagiscono sia collettivamente che individualmente a una perturbazione esterna, come, ad esempio, un campo elettrico.

Il termine "plasma" fu introdotto da Langmuir in un articolo relativo allo studio delle scariche elettriche ad arco nei gas rarefatti. Il risultato era che una qualsiasi sostanza, portata a una determinata temperatura, (in ogni caso elevatissima), passava ad uno stato fino ad allora sconosciuto, grazie alla scissione degli atomi in seguito agli urti che avvenivano fra molecole e atomi oltre che con gli ioni e con elettroni già presenti. Infatti, quando gli elettroni oscillano, gli ioni positivi si comportano come una gelatina rigida, e probabilmente videro un’analogia con il comportamento delle componenti del sangue, in cui corpuscoli oscillano nel plasma del sangue.

Questo processo viene chiamato "ionizzazione termica". In altre parole, affinché una sostanza si ionizzi, occorre che l'energia cinetica relativa delle particelle che si urtano deve essere superiore all'energia di legame dell'elettrone più labile nell'atomo o nella molecola; ovviamente ad atomi di sostanze diverse corrispondono valori differenti di queste energie di legame. Ad esempio, per ottenere un plasma di cesio a pressione atmosferica, è necessario elevarne la temperatura fino a circa 3000 C°, mentre per l' elio, la cui energia di ionizzazione è circa 10 volte più grande, bisogna raggiungere temperature dell'ordine di 20000 C°.

La materia allo stato di plasma

Le cose dette precedentemente sembrano un qualcosa di assolutamente innaturale, ma d' altra parte noi sappiamo che la maggior parte della materia che costituisce l' universo visibile è allo stato ionizzato: la materia che costituisce le stelle calde, il gas interstellare...

Raramente sulla Terra la materia si presenta sotto forma di plasma; ciò accade ad esempio lungo il percorso dei fulmini, nei quali le molecole dell’aria sono ionizzate per il 20% circa, e in alcune zone delle fiamme. Nella maggior parte dell’universo, invece, la materia è ionizzata per effetto sia delle alte temperature, come nel Sole e nelle stelle, sia della radiazione, come avviene per i gas interstellari o per gli strati alti dell’atmosfera.

Plasma come conduttore elettrico

schema di una scarica tra due elettrodi

In genere gli ioni sono in numero molto basso rispetto agli atomi neutri (in rapporto, circa, di 1/10⁴); in determinate condizioni il plasma si comporta come un buon conduttore elettrico, migliore perfino dei metalli.

Consideriamo un sistema schematizzato nella figura a fianco.

Il gas rarefatto nell'ampolla è un plasma del quale è possibile studiare la caratteristica tensione-corrente (curva di scarica del gas). Essa risulta essere quella riportata nell'immagine qui sottostante:

Scarica nei gas, entrambe le scale su entrambi gli assi sono logaritmiche

Nel tratto iniziale il comportamento segue la legge di ohm. Si ha poi un tratto in cui la curva diventa verticale, questo sta ad indicare che tutti gli ioni prodotti per una certa tensione V vengono raccolti all'elettrodo (saturazione della corrente). Ciò che avviene è un fenomeno di moltiplicazione per il quale gli elettroni assumono una energia cinetica molto elevata e, nell'attraversare l'ampolla, ionizzano il gas rarefatto in essa contenuto. Nella regione di Townsend la tensione si mantiene costante mentre la corrente aumenta. Questa tensione costante è la tensione di breakdown del dielettrico. Superata la regione di Townsend si osserva un tratto di curva a pendenza negativa cioè il sistema è momentaneamente instabile. Si entra poi nel tratto “normale”, questo è il tratto della curva in cui lavorano tutti i tubi a fluorescenza infatti, in questo tratto, il gas diventa luminoso. La curva prosegue con un tratto detto “abnormal” e termina con l'arco. Nella regione dell'arco la quantità di ioni prodotti è talmente elevata che si forma l'arco elettrico.

Per produrre un plasma a temperatura ambiente è sempre necessario fornire energia al sistema dall'esterno. Il sistema visto in Fig.1 è un modo possibile di produrre un plasma: l'energia della batteria permette di ionizzare gli atomi del gas. Allontanando gli elettrodi, il cammino che gli elettroni devono compiere aumenta ed aumenta quindi la probabilità che un elettrone ionizzi un atomo di gas. Le tensioni di breakdown variano alla variazione della pressione. Più precisamente, al diminuire della pressione aumenta il cammino libero medio facendo diminuire la tensione di breakdown. Questo avviene fino a una pressione limite per cui al diminuire della pressione aumenta questa tenzione. Questa legge va sotto il nome di legge di Pashen.

Interazioni possibili tra ione e atomo

Come già accennato un plasma è composto da atomi neutri, ioni positivi ed elettroni. La massa degli ioni è molto maggiore rispetto a quella degli elettroni, di conseguenza, un campo elettrico accelera gli elettroni portandoli ad elevate energie cinetiche in un tempo molto breve rispetto a quanto avviene per gli ioni. Ciò che interessa, quindi, sono le possibili interazioni tra un elettrone di elevata energia cinetica ed un atomo.

La caratterizzazione dei processi di collisione viene fatta mediante la cosidetta sezione d'urto $\sigma \$ . Tale grandezza ha le dimensioni di una superfice ed è collegata ala dimensione di spazio in cui avviene la collisione. La sezione d'urto è lagata al cammino libero medio infatti in un gas con densità $n\$ una particella con sezione d'urto $\sigma \$, ha un cammino libero medio $\lambda \$ pari a:

$\lambda ={\frac {1}{n\sigma }}$

La sezione d'urto è una misura della probabilità con cui un certo evento avviene: maggiore è la sezione d'urto più probabile è l'evento.

Urto elastico

L'urto elastico è l'evento più probabile quando un elettrone incontra un atomo. L'urto elastico è tanto più efficiente quanto più le due masse sono uguali; in questo caso la massa dell'elettrone è trascurabile rispetto a quella dell'atomo perciò, il solo effetto dell'urto elastico è quello di deviare la traiettoria degli elettroni, limitandone il cammino libero medio e la massima velocità raggiungibile.

Urto anelastico

Un urto anelastico può provocare la ionizzazione. L'elettrone che colpisce l'atomo, avendo una energia cinetica sufficientemente elevata, riesce a strappare da esso un elettrone, ionizzandolo (es. e- + He --> 2e- + He+). Un processo simile è quello della fotoionizzazione. I fotoni possono ionizzare un gas se la loro energia (h$\nu \$) è maggiore o uguale all'energia di ionizzazione del gas stesso (es. L'energia di ionizzazione del Argon è pari a 15,7 eV, affinche si riesca quindi a ionizzare tale elemento per via della fotoionizzazione, bisogna irradiare sul gas un onda elettromagnetica di lunghezza d'onda $\lambda$ pari a 80 nm).

In questo caso è facilmente intuibile il legame tra la sezione d'urto e la probabilità che la ionizzazione avvenga. Infatti la probabilità di ionizzazione dipende dalla lunghezza del cammino degli elettroni (più strada devono percorrere gli elettroni, maggiore è la probabilità che nel percorso incontrino delle particelle di gas e le ionizzino), il cammino è a sua volta legato alla sezione d'urto.

Eccitazione

Un elettrone urta un atomo e gli cede quasi tutta la sua energia. Gli elettroni più esterni vengono promossi ad un orbitale ad energia più elevata (l'energia nel quale viene promosso l'elettronie dipende dall'energia cinetica posseduta dall'elettrone prima dell'urto) e l'atomo risulterà quindi eccitato e occuperà uno spazio maggiore rispetto all'atomo neutro, mentre l'elettrone impiegato per l'eccitazione, avendo perso parte della sua energia per eccitare l'atomo, avrà una velocità decisamente minore di quella iniziale e prima dell'urto.

Dissociazione

La dissociazione è un fenomeno che può avvenire quando un elettrone urta un gas molecolare. In questo caso, se l'energia dell'elettrone è sufficiente esso riesce a strappare un atomo dalla molecola e si forma un radicale libero.

Gli elettroni aventi energia prossima ai 100 eV sono quelli che svolgono meglio la funzione di ionizzazione del gas.

Tutti i fenomeni fin qui indicati, presentano un fenomeno duale.

Diseccitazione

In un atomo eccitato, l'elettrone che era stato promosso ad un orbitale di energia maggiore decade ad un livello energetico più basso. Nel decadimento viene prodotto un elettrone la cui energia sarà pari al gap di energia tra i due orbitali di diversa energia. L'energia ceduta dall'atomo può essere di tipo elettromagnetica (luce) e in base all'analisi spettrale di tale radiazione luminosa è possibile risalire al tipo gas deionizzato

Ricombinazione

La ricombinazione è il processo inverso della ionizzazione. Il processo di ricombinazione non è semplice perchè devono conservarsi l'energia e la quantità di moto e questo è reso difficile dalla piccola massa dell'elettrone. Molto spesso la ricombinazione avviene tramite l'intervento di un terzo elemento come, ad esempio, le pareti del recipiente nel quale il gas è contenuto.

Metallo in un plasma

Metallo in un plasma

In un sistema come quello rappresentato nella figura a fianco si può considerare un plasma di Argon a temperatura ambiente T=295 K. In queste condizioni la corrente di ioni dovuta all'agitazione termica, è molto minore rispetto alla corrente di elettroni (anch'essa causata dall'agitazione termica). L'oggetto metallico immerso nel plasma quindi, verrà colpito da molti elettroni e tenderà a caricarsi negativamente. Il processo continua fin quando la carica accumulata dal metallo è tale da respingere gli ulteriori elettroni presenti. Ci sarà quindi nella zona spaziale vicina al metallo una densità alta di ioni positivi attratti dalla carica negativa, verranno invece allontanati gli elettoni in quanto due cariche dello stesso segno si respingono. Il potenziale del sistema risulta minimo sul metallo ed il plasma perde localmente la sua neutralità e risulta carico positivamente.

Quanto detto implica che un qualsiasi oggetto perturba il plasma facendo sì che esso si porti ad un potenziale positivo (il fenomeno appena descritto, infatti, può avvenire anche con le pareti del recipiente in cui è contenuto il plasma stesso).