La limpieza con plasma es la eliminación de impurezas y contaminantes de las superficies mediante el uso de un plasma energético o plasma de descarga de barrera dieléctrica (DBD) creado a partir de especies gaseosas. Se utilizan gases como argón y oxígeno , así como mezclas como aire e hidrógeno / nitrógeno. El plasma se crea utilizando voltajes de alta frecuencia (típicamente de kHz a> MHz) para ionizar el gas de baja presión (típicamente alrededor de 1/1000 de presión atmosférica), aunque ahora también son comunes los plasmas de presión atmosférica. [1]
Métodos
En el plasma, los átomos de gas se excitan a estados de mayor energía y también se ionizan. A medida que los átomos y las moléculas se 'relajan' a sus estados normales de menor energía, liberan un fotón de luz, esto da como resultado el característico "brillo" o luz asociada con el plasma. Los diferentes gases dan diferentes colores. Por ejemplo, el plasma de oxígeno emite un color azul claro.
Las especies activadas de un plasma incluyen átomos , moléculas , iones , electrones , radicales libres , metaestables y fotones en el rango ultravioleta de onda corta (UV al vacío o VUV para abreviar). Esta mezcla luego interactúa con cualquier superficie colocada en el plasma.
Si el gas utilizado es oxígeno, el plasma es un método eficaz, económico y ambientalmente seguro para la limpieza crítica. La energía VUV es muy eficaz para romper la mayoría de los enlaces orgánicos (es decir, C – H, C – C, C = C, C – O y C – N) de los contaminantes de la superficie. Esto ayuda a separar los contaminantes de alto peso molecular. Una segunda acción limpiadora la llevan a cabo las especies de oxígeno creadas en el plasma (O 2 + , O 2 - , O 3 , O, O + , O - , ozono ionizado, oxígeno excitado metaestable y electrones libres). [2] Estas especies reaccionan con contaminantes orgánicos para formar H 2 O, CO, CO 2 e hidrocarburos de menor peso molecular. Estos compuestos tienen presiones de vapor relativamente altas y se evacuan de la cámara durante el procesamiento. La superficie resultante es ultra limpia. En la Fig. 2, se muestra un contenido relativo de carbono sobre la profundidad del material antes y después de la limpieza con oxígeno excitado [1] .
Si la pieza consta de materiales fácilmente oxidables como plata o cobre, el tratamiento utiliza gases inertes como argón o helio en su lugar. Los átomos e iones activados por plasma se comportan como un chorro de arena molecular y pueden descomponer los contaminantes orgánicos. Estos contaminantes se vaporizan durante el procesamiento y son evacuados de la cámara.
La mayoría de estos subproductos son pequeñas cantidades de gases, como dióxido de carbono y vapor de agua con trazas de monóxido de carbono y otros hidrocarburos.
Si la eliminación orgánica es completa o no, se puede evaluar con mediciones del ángulo de contacto . Cuando hay un contaminante orgánico, el ángulo de contacto del agua con el dispositivo es alto. La eliminación de contaminantes reduce el ángulo de contacto a la característica de contacto con el sustrato puro. Además, XPS y AFM se utilizan a menudo para validar aplicaciones de esterilización y limpieza de superficies. [3]
Si una superficie a tratar se recubre con una capa conductora estampada (metal, ITO ), el tratamiento por contacto directo con plasma (capaz de contraerse a microarcos) podría ser destructivo. En este caso, se puede aplicar la limpieza mediante átomos neutros excitados en plasma a estado metaestable. [4] Los resultados de las mismas aplicaciones a superficies de muestras de vidrio recubiertas con capas de Cr e ITO se muestran en la Fig. 3.
Después del tratamiento, el ángulo de contacto de una gota de agua se reduce y se vuelve menor que su valor en la superficie sin tratar. En la Fig. 4, se muestra la curva de relajación de la huella de la gota para la muestra de vidrio. En el recuadro de la Figura 4 se muestra una fotografía de la misma gota en la superficie sin tratar. El tiempo de relajación de la superficie correspondiente a los datos mostrados en la Fig. 4 es de aproximadamente 4 horas.
La incineración con plasma es un proceso que utiliza la limpieza con plasma únicamente para eliminar el carbón. La incineración del plasma siempre se realiza con gas O 2 . [5]
Aplicaciones
A menudo, se requiere la limpieza con plasma para eliminar los contaminantes de las superficies antes de que puedan usarse en un proceso de fabricación. La limpieza con plasma se puede aplicar a una variedad de materiales junto con superficies con geometrías complejas. La limpieza con plasma tiene la capacidad de eliminar eficazmente toda la contaminación orgánica de las superficies mediante el proceso de una reacción química (plasma de aire) o ablación física (plasma de Ar / plasma de argón). En el recuadro de la Fig. 5 se muestra una fotografía de un haz de plasma sobre una superficie metálica sin tratar. [6]
Limpieza y esterilización
La limpieza con plasma elimina la contaminación orgánica a través de reacciones químicas o ablación física de hidrocarburos en las superficies tratadas. [3] Los gases de proceso químicamente reactivos (aire, oxígeno) reaccionan con las monocapas de hidrocarburos para formar productos gaseosos que son arrastrados por el flujo continuo de gas en la cámara del limpiador de plasma. [7] La limpieza con plasma se puede utilizar en lugar de procesos químicos húmedos, como el grabado de pirañas, que contienen productos químicos peligrosos, aumentan el peligro de contaminación de los reactivos y corren el riesgo de grabar las superficies tratadas. [7]
- Eliminación de monocapas autoensambladas de alcanetiolatos de superficies de oro [7]
- Proteínas residuales en dispositivos biomédicos [3]
- Limpieza de nanoelectrodos [8]
Ciencias de la vida
La viabilidad, función, proliferación y diferenciación celular están determinadas por la adhesión a su microambiente. [9] El plasma se usa a menudo como un medio libre de químicos para agregar grupos funcionales biológicamente relevantes (carbonilo, carboxilo, hidroxilo, amina, etc.) a las superficies de los materiales. [10] Como resultado, la limpieza con plasma mejora la biocompatibilidad o bioactividad del material y elimina las proteínas y microbios contaminantes. Los limpiadores de plasma son una herramienta general en las ciencias de la vida y se utilizan para activar superficies para cultivo celular , [11] ingeniería de tejidos , [12] implantes y más.
- Sustratos de ingeniería de tejidos [12]
- Adhesión celular de polietilentereftalato (PET) [11]
- Biocompatibilidad mejorada de implantes: injertos vasculares, [13] tornillos de acero inoxidable [14]
- Estudios de confinamiento celular a largo plazo [15]
- Litografía de plasma para modelar sustratos de cultivos celulares [16]
- Clasificación celular por fuerza de adhesión [17]
- Eliminación de antibióticos mediante virutas de acero activadas por plasma [18]
- Secuenciación unicelular [19]
Ciencia de los Materiales
La humectación y modificación de superficies es una herramienta fundamental en la ciencia de los materiales para mejorar las características del material sin afectar las propiedades a granel. La limpieza con plasma se utiliza para alterar la química de la superficie del material mediante la introducción de grupos funcionales polares. El aumento de la hidrofilicidad de la superficie (humectación) después del tratamiento con plasma mejora la adhesión con recubrimientos acuosos, adhesivos, tintas y epoxis:
- Termopotencia mejorada de películas de grafeno [20]
- Mejora de la función de trabajo en heteroestructuras de semiconductores de polímero [21]
- Adhesión mejorada de fibras de polietileno de módulo ultra alto (Spectra) y fibras de aramida [22]
- Litografía de plasma para estructuras de superficie a nanoescala y puntos cuánticos [23]
- Micropatrón de películas delgadas [24]
Microfluidos
Las características únicas del flujo de fluidos a micro o nanoescala se aprovechan mediante dispositivos de microfluidos para una amplia variedad de aplicaciones de investigación. El material más utilizado para la creación de prototipos de dispositivos de microfluidos es el polidimetilsiloxano (PDMS), por su rápido desarrollo y propiedades ajustables del material. La limpieza con plasma se utiliza para unir permanentemente chips de microfluidos PDMS con portaobjetos de vidrio o placas de PDMS para crear microcanales herméticos. [25]
- Separación de plasma sanguíneo [26]
- Secuenciación de ARN de una sola célula [19]
- Válvulas de flujo electroosmóticas [27]
- Patrones de humectabilidad en dispositivos microfluídicos [28]
- Retención a largo plazo de la hidrofilia del dispositivo microfluídico [29]
Células solares y energía fotovoltaica
El plasma se ha utilizado para mejorar el rendimiento de las células solares y la conversión de energía dentro de los dispositivos fotovoltaicos:
- La reducción de óxido de molibdeno (MoO 3 ) mejora la densidad de corriente de cortocircuito [30]
- Modificar nanohojas de TiO2 para mejorar la generación de hidrógeno [31]
- Conductividad mejorada de PEDOT: PSS para una mayor eficiencia en células solares de perovskita sin ITO [32]
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