用于绿色技术的“双等离子线(DUO-PLASMALINE)”:始终先人一步的产能

双等离子线(DUO-PLASMALINE)系统如何助力您的可持续能源应用

人人都愿在一个更健康的星球上生活!各行业的创新者都在致力于更可持续的明天。在绿色技术的效率、质量和可扩容性等诸多方面,仍有改进的空间——特别是有关零排放汽车电池和柔性光伏板的技术。

Muegge公司的基于微波驱动的双等离子线(DUO-PLASMALINE)系统,应用于可持续能源生产/储存领域的表面处理和改性,提高了创新者们的竞争力。

想了解这项技术的原委,这篇专家评论将告诉您,双等离子线(DUO-PLASMALINE)系统如何实现了高自由基密度、大面积处理区上的等离子体高度均质性、以及升级的便利性。

1. 均质等离子体的产生:其他系统做不到

微波等离子体在低压条件下的激发,基于微波电场内自由电子的加速。理想状态下,气体电离一旦形成,电子就会相互碰撞、与中性粒子和带电物质碰撞,产生雪崩效应,从而形成等离子体。真空腔体工作压力是该过程一个重要参数:低压下,加速自由电子的平均自由行程,明显小于真空腔体的尺寸,并形成了非平衡等离子体,其特点是常温环境下的中性粒子、离子和由“热”加速的自由电子。当真空腔体内的压力进一步降低,使自由电子的平均自由行程与真空腔体尺寸相当时,自由电子与真空腔壁的碰撞概率显著增加,从而抑制对生成和保持等离子体至关重要的雪崩效应。

“错误的降压/增压方式,可能会抑制等离子体的生成与保持。”

另一方面,增压将把能量转移到中性粒子和离子等重粒子,致使等离子体逐渐热化。因此,等离子体的整体温度升高。另一方面,如果微波能量恒定但粒子密度增加,比如气体流量增加,则激发能量将不足以保持等离子体。

在恒定压力下电子密度的增加,将会抑制微波传播。在所谓的临界密度下,微波不再能穿透等离子体并被反射,此时的等离子体的作用就是一个导电壁。

注: 临界密度与电磁波频率的平方成正比。

2. 提高产能和轻松升级的解决之道——双等离子线(DUO-PLASMALINE)

基于上述原理,很多微波等离子体源的构想,就是把微波等离子体典型的高自由基密度这一高效优势利用起来。然而,由于特定的驻波模式的形成、以及微波的真空波长可能会与待处理材料的几何尺寸相同,这可能导致基板表面的等离子体处理不均匀。为处理大面积基板,微波等离子体源的比例放大是一个挑战。双等离子线(DUO-PLASMALINE这种微波等离子源,以及基于多个双等离子线(DUO-PLASMALINE)的等离子阵列,完美应对了这个挑战。

3. 提高您的产品质量——产生均质等离子的双等离子线(DUO-PLASMALINE)

双等离子线(DUO-PLASMALINE)是一种低压微波等离子体源。等离子体仅由微波激发,即没有其他磁场影响。简言之,双等离子线是一种由微波激发的反向荧光管:沿着真空腔体安装同轴线,即由从相对两端的微波供电的导电材料,形成微波能传输线(天线)。在真空腔体内,外部同轴导体由玻璃、石英或陶瓷制成的介电管代替。介电管的内部为常压,而外部,即真空腔体则处于低压,最好在 10 帕和 1000 帕之间。微波可通过介电管、传播到低压区的真空腔内。当微波场强超过击穿场强时,在双等离子线两端、其外部同轴导体被介电管所取代的低压区会引发放电。双等离子线两端形成的短等离子“管”是导电介质,替代了缺位的外部同轴导体功能。增加微波功率,等离子体则从两端沿介质管延伸,直到形成轴向均匀的等离子体——见图1。

 

图 1:在双等离子线低压微波等离子体源周围形成的轴向均匀等离子体 [1]

 
 

仅用功率为几个kW的2.45GHz微波,就能在超过3m长度的双等离子线周围形成轴向均匀的低压等离子体。

4. 能量组合——用于高效表面处理的双等离子线DuoPlasmaline及等离子阵列Plasma Array

等距排列两个或多个平行的双等离子线,可获得二维平面的等离子阵列源。双等离子线提供轴向均匀的等离子体,等离子阵列(Plasma Array)产生大面积的均匀等离子体,见图 2。因此,双等离子线适用于等离子体表面处理的连续在线工艺,而等离子阵列适用于连续和批式工艺。 双等离子线和等离子阵列都允许高效的表面处理,即便是热敏材料——因为这种低压非平衡微波等离子体所产生的高密度自由基,其离子能量很低。

图 2:等离子阵列式微波等离子体源,在低压下形成二维平面均匀等离子体 [2]。
 
 

5. 定制您的表面尺寸——长宽可扩展的等离子区

得益于模块化设计,通过配置等离子阵列中的双等离子线的数量/长度,很容易适应基板的尺寸。因此,等离子体有效区域的长宽可以比例缩放。

图 3:四个双等离子线组成的等离子阵列示意图,用于低压等离子表面处理(绿色区域)

图 3是由四个双等离子线在低压等离子表面处理的工艺腔中组成的等离子阵列。微波能量从左右两侧馈入四个双等离子线。微波能量由每侧的两个微波头产生。每个微波头经过功率分配器为两个双等离子线提供微波能。能量平均分配给两个或多个双等离子线,可确保基板平面上的等离子体最佳均匀性。图 4为六个双等离子线组成的等离子阵列,每个长度为160cm,从而形成了约150cmX200 cm的有效等离子体区,用于光伏电池的氮化硅镀膜。

图 4:六个双等离子线组成的等离子阵列,集成于一个工艺腔中,用于光伏电池制造的低压等离子薄膜沉积工艺(德国 Meyer Burger 提供)
 
 

6. 开放的创新应用前景——双等离子线和等离子阵列

除薄膜沉积外,Muegge的双等离子线和等离子阵列还用于等离子辅助表面处理,如表面活化、蚀刻、清洁甚至灭菌。现在和将来,这项令人振奋的技术正在为可持续能源生产/储存提供很多革命性工艺。这些令人兴奋的应用,包括运用低压非平衡微波等离子体工艺,进行新型锂离子电池的硅纳米线沉积、燃料电池技术中的表面改性。

访问我们的网站,了解我们的实际案例,以及双等离子线和等离子阵列示例,了解如何将其运用于支持您的创新和产品。

参考资料

[1]          A. Schulz, P. Büchele, E. Ramisch, O. Janzen, F. Jimenez, C. Kamm, J. Kopecki, M. Leins, S. Merli, H. Petto, F. R. Mendez, J. Schneider, U. Schumacher, M. Walker, U. Stroth, Contrib. Plasma Phys., 2012, 52, 607-614.

[2]          M. Walker, A. Schulz: Duo-Plasmaline. [online] Homepage: University of Stuttgart, Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology (IGVP)

URL: https://www.igvp.uni-stuttgart.de/en/research/plasma-technology/sources/plasmaline/ [status: June 16, 2021].

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