Wirkung von Plasmen

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Was ist ein Plasma?

Plasmen sind teilweise oder vollständig ionisierte Gase und Dämpfe, die neben Ionen und Elektronen auch chemische Radikale und eine grosse Anzahl elektronisch angeregter Teilchen enthalten. Weit mehr als 99 Prozent des uns bekannten Universums befindet sich im Plasmazustand. Ein Plasma lässt sich durch ein elektromagnetisches Feld zünden und aufrecht erhalten.

Charakteristisch für jedes Plasma ist sein Leuchten, das je nach Gas violett, blau, grün, gelb, orange oder rötlich scheint. Das Plasmaleuchten wird in Leuchtröhren, z. B. als Leuchtreklame, genutzt. Argonröhren scheinen blau, Neonröhren erzeugen ein orange-rotes Licht. Als Leuchtgas können aber auch dampfförmige Flüssigkeiten zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel in Leuchtstofflampen, die meist mit einem Quecksilber-Argon-Gemisch befüllt sind.

Plasma-Substrat-Wechselwirkung

Die im Plasma vorhandenen Ionen, Elektronen, Moleküle und Atome in elektronisch angeregten Zuständen und die UV-Strahlung aktivieren und/oder ätzen Oberflächen oder leiten bei vielen (insbesondere organischen) Substanzen Polymerisation in der Gasphase und Schichtbildung auf der Oberfläche von Substraten ein.

Plasmachemische Prozesse verlaufen über andere Wege, als denen der "herkömmlichen" Chemie. Sonst reaktionsträge Gase und Festkörperoberflächen (wie z. B. gesättigte Kohlenwasserstoffe) lassen sich in Plasmen problemlos zu chemischen Reaktionen wie z. B. Polymerisationen anregen. Auch Edelgase und Stickstoff werden im Plasma angeregt bzw. ionisiert und beteiligen sich an chemischen Prozessen.

Wesentliche Möglichkeiten der Plasma-Substrat-Wechselwirkung sind in folgender Übersicht zusammengefasst:

 

Material-
veränderung		 organische Materialien anorganische Materialien
Abtrag

Ätzen

Reinigung (z. B. Entfettung, Sterilisierung)

Veränderung der Oberflächenmorphologie (z. B. Aufrauhen)

Ätzen

Reinigung
Modifizierung

Aktivierung für nachfolgende Prozesse

Propfen

Vernetzung

 Plasmaoxidation, Plasmanitrierung
Schicht-
abscheidung		 Plasmapolymerisation Plasma-CVD

Reaktionsmechanismus bei Plasmaoxidation: Plasmaoxidation von Polyethylen

 
Animiertes Schema.


 

Die Animation (links) zeigt nur einen der möglichen Reaktionsverläufe bei der plasmachemischen Oberflächen-Oxydation von Polyolefinen. Die Reaktion wird durch atomaren Sauerstoff initiiert, der Wasserstoffatome von der Oberfläche abstrahiert. Die so gebildete Radikalstelle kann mit molekularem Sauerstoff unter Bildung einer Hydroperoxid-Gruppe reagieren, die zur einer Ketogruppe zerfallen kann.

Neben Ketogruppen werden auch Aldehyd-, Carboxyl- sowie Hydroperoxid-, Hydroxid- und Äther-Gruppen gebildet (Abbildung oben). Ausserdem führt Plasmaoxydation zu einer Kettenspaltung und dem Materialabtrag. Unter genauer Kontrolle der Reaktionsbedingungen ist eine gezielte Funktionalisierung der Oberfläche möglich.