Um reator de plasma de micro-ondas é um sistema especializado utilizado para processos de deposição química de vapor. É particularmente útil para sintetizar materiais como diamantes, nanotubos de carbono e grafeno. Este reator utiliza energia de micro-ondas a uma frequência de 2,45 GHz para gerar um plasma dentro de uma câmara controlada. O plasma é formado acima de uma mesa de substrato, longe das superfícies do reator, e pode ser ajustado em posição relativamente à janela de quartzo transparente de micro-ondas para otimizar o circuito de micro-ondas.
5 Pontos-chave explicados
1. Geração de micro-ondas e formação de plasma
O reator está equipado com um gerador de micro-ondas que funciona a 2,45 GHz. Esta é uma frequência comum para aplicações industriais e científicas. As micro-ondas são transmitidas para a câmara cilíndrica através de uma guia de ondas retangular e de um conversor de modo. No interior da câmara, as micro-ondas criam um padrão de campo eletromagnético ressonante que aquece e excita os gases reagentes, formando um plasma. Este plasma é tipicamente uma massa em forma de bola acima do substrato, o que é crucial para o processo de deposição.
2. Aquecimento do substrato e controlo dos gases
Os substratos no reator podem ser aquecidos independentemente da geração de plasma através de métodos como o aquecimento por indução (até 1000°C) e o aquecimento por polarização. Este controlo independente permite uma regulação precisa da temperatura durante o processo de deposição. Os gases utilizados no reator são introduzidos através de tubagens de aço inoxidável e os seus caudais são controlados por um medidor de caudal mássico. A unidade de controlo de gás MKS suporta uma variedade de gases, incluindo hidrogénio, metano, acetileno, árgon, azoto, oxigénio e outros, que são essenciais para diferentes tipos de síntese de materiais.
3. Conceção e desafios do reator
A conceção dos reactores de plasma de micro-ondas tem de responder a vários desafios, incluindo a fuga térmica, a quebra de tensão e os arcos voltaicos. Para evitar estes problemas, a conceção do reator tem de garantir que a intensidade do campo de micro-ondas é optimizada para evitar a formação de arcos, minimizando a perda de calor. Além disso, o reator deve ser concebido para evitar a entrada de poeiras no sistema de guia de ondas e evitar cantos e arestas vivas que possam conduzir a sobreaquecimento localizado e formação de arcos. Os procedimentos de afinação adequados são também cruciais para evitar o acoplamento do arco com a potência reflectida.
4. Tipos de reactores de plasma de micro-ondas
Ao longo do tempo, foram desenvolvidos vários tipos de reactores de plasma de micro-ondas, cada um com diferentes geometrias concebidas para melhorar a acomodação da potência de micro-ondas. Estes variam de simples tipos de tubos de quartzo a estruturas mais complexas, como os tipos elipsoide, cúpula, multimodo não cilíndrico, ressonador anel-antena-elipsoide e cónico-refletor. Cada conceção visa melhorar a capacidade de focagem das micro-ondas, proteger as janelas dieléctricas da corrosão por plasma e melhorar a capacidade de sintonização.
5. Aplicações e capacidades
O reator específico descrito na referência é capaz de produzir películas de diamante policristalino de alta qualidade a taxas de cerca de 6 μm por hora, uniformemente sobre um substrato de silício de 2x2 cm. Isto demonstra a capacidade do reator para produzir películas de espessura significativa em períodos relativamente curtos, tornando-o uma ferramenta valiosa para a síntese de materiais em aplicações industriais e de investigação.
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