Plasma

Il plasma è noto come “il quarto stato della materia”; si tratta di una regione dello spazio allo stato gassoso composto da cariche positive (ioni), cariche negative (elettroni) e particelle neutre (atomi, molecole e radicali). Esempi di plasma sono presenti in natura: fulmini e aurore boreali. Esistono pertanto diverse possibilità di generare plasma quali il plasma a bassa pressione, il plasma ad alta pressione ed il plasma a pressione ambiente.

Grazie alla presenza di ioni liberi, il plasma spesso viene usato per generare sorgenti ioniche. A bassa pressione il plasma risultante è generalmente caratterizzato come "plasma freddo", sebbene gli elettroni possano avere temperature di diverse decine di migliaia di Kelvin (cioè molto più caldi della superficie del Sole), mentre gli ioni e il gas neutro presentano temperature inferiori. Tuttavia, a causa della loro massa estremamente bassa, gli elettroni non possono trasferire gran parte la loro energia termica come calore ai componenti del plasma più pesanti o alle pareti di contenimento. Questo tipo di plasma freddo non trasferisce molto calore al suo ambiente e potrebbe essere più esattamente caratterizzato come "plasma a bassa entalpia".

Pertanto, il gas ionizzato viene chiamato "Plasma", e se è quasi neutro, le sue proprietà sono dominate da forze elettriche e/o magnetiche.

Generalmente il processo per la generazione del plasma si basa su una camera a tenuta (in condizioni di vuoto) entro la quale fluisce del gas di processo che viene ionizzato tra due elettrodi, appartenenti a un generatore a radiofrequenza, che applicano un campo elettrico. La giusta pressione è mantenuta da un impianto da vuoto, che si occupa anche di smaltire gli scarti di processo e se è necessario tali gas attraversano un abbattitore di fumi.

La tensione di generazione del plasma è direttamente collegata alla distanza tra gli elettrodi ed alla pressione di esercizio. Risulta più facile generare un plasma a bassa pressione rispetto ad uno a pressione ambiente o addirittura in alto vuoto. Tipicamente in aria a pressione ambiente si ha bisogno di una differenza di potenziale di 30 kV/cm affinché si inneschi una scarica elettrica e si generi quindi del plasma; invece a pressione pari a decine di Pascal la differenza di potenziale tra anodo e catodo raggiunge il suo minimo ed è pari a circa 0,5kV/cm. Pertanto, per mantenere il plasma è necessaria un’energia minore. Di seguito la curva che meglio descrive il fenomeno per differenti tipologie di gas detta curva di Paschen.

Da notare che il gas presente tra i due elettrodi si ionizza, il successivo decadimento radiativo risulta visibile ed in base alla tipologia di gas presente nella camera esso può assumere un colore differente; si va dal rosa per l’Elio, al rosso-arancio per il Neon, al viola per l’Argon, al bianco per il Kripton, al bianco-azzurro per lo Xeno.

Il plasma ad Ossigeno ricopre un ruolo fondamentale nelle applicazioni pratiche delle tecnologie del plasma.

Le possibili applicazioni a livello scientifico/ tecnologico ed industriali vanno dalla pulizia delle superfici all’attivazione superficiale fino alla deposizione di film sottili con caratteristiche chimico-fisiche molto specifiche:

• La pulizia tramite plasma consente la  rimozione delle impurità nelle micro-cavità, dove un solvente non è in grado di agire a cause delle elevate tensioni superficiali; la pulizia via plasma è priva di solventi, per cui l’oggetto è pronto per l’utilizzo, anche in ambienti che richiedono un’estrema pulizia come ad esempio i laboratori fisici e/o bio-tecnologici
• L’attivazione superficiale migliora il comportamento del materiale per trattamenti successivi quali ad esempio la verniciatura, l’incollaggio o la deposizione di film sottili, contrariamente all’utilizzo di metodologie quali la fiammatura o il trattamento con solventi. L’utilizzo del plasma è un processo a “freddo” per cui non modifica le caratteristiche del materiale da trattare, ma agisce solo superficialmente.
• La deposizione di film sottili applicata per migliorare il comportamento tribologico, ottico, visivo/estetico delle superfici. Gli impianti di deposizione sfruttano due principi diversi: da fase  gassosa non ionica (Chemical Vapor Deposition) o da fase gassosa ionica (Physical Vapor Deposition).

Le tecnologie che servono per la generazione ed il mantenimento di un plasma stabile necessitano di un impianto da vuoto correttamente dimensionato rispetto ai processi che si vogliono andare a svolgere, un generatore di campo elettromagnetico nel quale confinare il plasma e della corretta dose di gas di processo per un uso ottimale ed altamente efficiente dell’intero sistema.