Кристаллы в пылевой плазме
Академик В. ФОРТОВ, директор Института теплофизики экстремальных состояний Российской академии наук.
Одно из интереснейших явлений, обнаруженных недавно в низкотемпературной плазме, - образование "плазменного кристалла", то есть пространственно-упорядоченной структуры из мелкодисперсных частиц - плазменной пыли.
В апреле 2005 года академик Владимир Евгеньевич Фортов получил престижную международную награду - золотую медаль имени Альберта Эйнштейна, присужденную ему за выдающийся вклад в развитие физической науки и международного научного сотрудничества. Научные интересы академика Фортова лежат в области физики экстремальных состояний вещества, включая плазму. Если не считать темную материю, плазма - самое распространенное состояние вещества в природе: по оценкам, в этом состоянии находится примерно 95% обычной материи во Вселенной. Звезды - это сгустки плазмы, ионизованного газа с температурой в десятки и сотни миллионов градусов. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна. Плазма излучает свет в электроразрядных лампах, создает цветное изображение в плазменных панелях. В плазменных реакторах потоки плазмы используют для производства микросхем, упрочнения металлов и очистки поверхностей. Плазменные установки перерабатывают отходы и производят энергию. Физика плазмы - активно развивающаяся область науки, в которой по сей день совершаются удивительные открытия, наблюдаются необычные явления, требующие понимания и объяснения. Одно из интереснейших явлений, обнаруженных недавно в низкотемпературной плазме, - образование "плазменного кристалла", то есть пространственно-упорядоченной структуры из мелкодисперсных частиц - плазменной пыли.
ЧТО ТАКОЕ ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА?
Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий пылинки - частицы твердого вещества. Такая плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках. Она обнаружена вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием, а также в плазменных реакторах, дугах, разрядах.
В лабораторных условиях пылевую плазму впервые получил американец Ирвинг Лэнгмюр еще в 20-х годах прошлого века. Однако активно изучать ее начали лишь в последнее десятилетие. Повышенный интерес к свойствам пылевой плазмы возник с развитием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также производства тонких пленок и наночастиц. Наличие твердых частиц, которые попадают в плазму в результате разрушения электродов и стенок разрядной камеры, не только приводит к загрязнению поверхности полупроводниковых микросхем, но и возмущает плазму, зачастую непредсказуемым образом. Чтобы уменьшить или предотвратить эти негативные явления, необходимо разобраться в том, как идут процессы образования и роста конденсированных частиц в газоразрядной плазме и как плазменные пылинки влияют на свойства разряда.
ПЛАЗМЕННЫЙ КРИСТАЛЛ
Размеры пылевых частиц относительно велики - от долей микрона до нескольких десятков, иногда сотен микрон. Их заряд может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Получается плазма, которую называют сильнонеидеальной, поскольку ее поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).
Теоретические расчеты равновесных свойств пылевой плазмы показывают, что при некоторых условиях сильное электростатическое взаимодействие "берет верх" над низкой тепловой энергией и заставляет заряженные частицы выстраиваться в пространстве определенным образом. Образуется упорядоченная структура, которая получила название кулоновского или плазменного кристалла. Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твердом теле. Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.
Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооруженным глазом. В ранних экспериментах образование кристаллических структур регистрировали в системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых переменным и статическим электрическими полями. В более поздних работах произведены наблюдения кулоновской кристаллизации макрочастиц в слабоионизованной плазме высокочастотного разряда при низком давлении. Энергия электронов в такой плазме составляет несколько электронвольт (эВ), а энергия ионов близка к тепловой энергии атомов, которые имеют комнатную температуру (~ 0,03 эВ). Это связано с тем, что электроны более подвижны и их поток, направленный на нейтральную пылевую частицу, значительно превышает поток ионов. Частица "ловит" электроны и начинает заряжаться отрицательно. Этот накапливающийся отрицательный заряд в свою очередь вызывает отталкивание электронов и притяжение ионов. Заряд частицы меняется до тех пор, пока потоки электронов и ионов на ее поверхности не сравняются. В экспериментах с высокочастотным разрядом заряд пылевых частиц был отрицательным и довольно большим (порядка 104 - 105 электронных зарядов). Облако заряженных пылевых частиц зависало вблизи поверхности нижнего электрода, поскольку там устанавливалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами. При диаметре облака в несколько сантиметров в вертикальном направлении число слоев частиц составляло несколько десятков, а расстояние между частицами - несколько сотен микрометров.
УПОРЯДОЧЕННЫЕ СТРУКТУРЫ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ...
В Институте теплофизики экстремальных состояний РАН (ИТЭС РАН) с 1991 года изучают пылевую плазму и создают разнообразные методы ее диагностики. Исследована пылевая плазма разных видов: термическая плазма, газоразрядная плазма тлеющего и высокочастот ного разрядов, фотоэмиссионная и ядерно-возбуждаемая плазма.
Термическая плазма, образующаяся в пламени газовой горелки при атмосферном давлении, имеет температуру от 1700 до 2200 К, причем температуры электронов, ионов и нейтральных частиц в ней равны. В потоке такой плазмы изучали поведение частиц диоксида церия (CeO2). Особенность этого вещества в том, что электроны довольно легко улетают с его поверхности - работа выхода электрона составляет всего около 2,75 эВ. Поэтому пылевые частицы заряжаются как потоками электронов и ионов из плазмы, так и за счет термоэлектронной эмиссии - испусканием электронов нагретой частицей, что создает положительный заряд.
Пространственные структуры макрочастиц анализировали при помощи лазерного излучения, дающего корреляционную функцию g(r), смысл которой состоит в следующем. Если зафиксировать расположение в пространстве одной из частиц, то функция показывает вероятность нахождения любой другой частицы на расстоянии r от данной. А это позволяет сделать вывод о пространственном расположении частиц - хаотическом или упорядоченном, характерном для жидкостных и кристаллических структур.
Типичные корреляционные функции g(r) для частиц CeO2 в аэрозольной струе при комнатной температуре и в плазме представлены на илл. 1. При высокой температуре плазмы (2170 K) и невысокой концентрации макрочастиц (б) корреляционная функция имеет почти такой же вид, как для струи обычного аэрозоля при комнатной температуре (а). Это означает, что частицы в плазме взаимодействуют слабо и образования упорядоченных структур не происходит. При меньшей температуре плазмы (1700 К) и более высокой концентрации частиц корреляционная функция принимает вид, характерный для жидкости: есть ярко выраженный максимум, что свидетельствует о наличии ближнего порядка в расположении частиц (в). В этом эксперименте положительный заряд частиц составлял величину около 1000 зарядов электрона. Относительно слабую упорядоченность структуры можно объяснить малым временем существования плазмы (около 20 тысячных долей секунды), за которое процесс формирования плазменного кристалла не успевает завершиться.
... И ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ
В термической плазме температура всех частиц одинакова, а в плазме тлеющего газового разряда ситуация иная - электронная температура много больше ионной. Это создает предпосылки для возникновения упорядоченных структур пылевой плазмы - плазменных кристаллов.
В тлеющем газовом разряде при определенных условиях возникают стоячие страты - неподвижные зоны неравномерной светимости, регулярно чередующиеся с темными промежутками. Концентрация электронов и электрическое поле сильно неоднородны по длине страты. Поэтому в голове каждой страты образуется электростатическая ловушка, которая при вертикальном положении разрядной трубки способна удержать мелкодисперсные частицы в области положительного столба разряда.
Процесс формирования структуры выглядит следующим образом: высыпанные из контейнера в разряд микронные частицы заряжаются в плазме и выстраиваются в структуру, сохраняющуюся сколь угодно долго при неизменных параметрах разряда. Лазерный луч подсвечивает частицы в горизонтальной или вертикальной плоскости (илл. 2). Образование пространственной структуры фиксирует видеокамера. Отдельные частицы можно видеть невооруженным глазом. В эксперименте использовали частицы нескольких типов - полые микросферы из боросиликатного стекла и частицы меламинформальдегида диаметром от одного до ста микрометров.
В центре страты образуется пылевое облако диаметром до нескольких десятков миллиметров. Частицы располагаются в горизонтальных слоях, образуя гексагональные структуры (илл. 3а). Расстояния между слоями составляют от 250 до 400 мкм, расстояния между частицами в горизонтальной плоскости - от 350 до 600 мкм. Функция распределения частиц g(r) имеет несколько ярко выраженных максимумов, что подтверждает существование дальнего порядка в расположении частиц и означает формирование кристаллической структуры, хотя плазменные пылевые кристаллы хорошо видны и невооруженным глазом.
Изменяя параметры разряда, можно влиять на форму облака частиц и даже наблюдать переход из кристаллического состояния в жидкость ("плавление" кристалла) и затем в газ. Используя несферические частицы - нейлоновые цилиндры длиной 200-300 мкм, - удалось получить также структуру, подобную жидкому кристаллу (илл. 4).
ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА В КОСМОСЕ
На Земле дальнейшему изучению плазменных кристаллов мешает сила тяжести. Поэтому было решено начать эксперименты в космосе, в условиях микрогравитации.
Первый эксперимент провели космонавты А. Я. Соловьев и П. В. Виноградов на российском орбитальном комплексе "Мир" в январе 1998 года. Им предстояло изучить образование упорядоченных плазменно-пылевых структур в невесомости под действием солнечного света.
В стеклянных ампулах, заполненных неоном, находились сферические частицы бронзы с цезиевым покрытием при давлениях 0,01 и 40 Торр. Ампулу устанавливали возле иллюминатора, встряхивали и регистрировали с помощью видеокамеры движение частиц, подсвеченных лазером. Наблюдения показали, что вначале частицы движутся хаотически, а затем появляется направленное движение, которое связано с диффузией плазмы на стенки ампулы.
Обнаружился еще один интересный факт: через несколько секунд после встряхивания ампулы частицы начинали слипаться, образуя агломераты. Под действием солнечного света агломераты распадались. Агломерация может быть связана с тем, что в начальные моменты освещения частицы приобретают разноименные заряды: положительные - за счет эмиссии фотоэлектронов, отрицательные - заряжаясь потоками плазменных электронов, эмитированных с других частиц, - и разноименно заряженные частицы слипаются друг с другом.
Анализируя поведение макрочастиц, можно оценить величину их заряда (около 1000 зарядов электрона). В большинстве случаев частицы образовывали только жидкостную структуру, хотя иногда и возникали кристаллы.
В начале 1998 года было принято решение о проведении совместного российско-германского эксперимента "Плазменный кристалл" на борту российского сегмента Международной космической станции (PC MKC). Постановку и подготовку эксперимента осуществляли ученые Института теплофизики экстремальных состояний РАН с участием Института внеземной физики Макса Планка (Германия) и Ракетно-космической корпорации "Энергия".
Основным элементом аппаратуры служит вакуумная плазменная камера (илл. 5), состоящая из двух стальных квадратных пластин и стеклянных вставок квадратного сечения. На каждой из пластин смонтированы дисковые электроды для создания высокочастотного разряда. В электроды встроены устройства для инжекции пылевых частиц в плазму. Вся оптическая система, включая две цифровые камеры и два полупроводниковых лазера для подсветки облака частиц, установлена на подвижной плите, которую можно перемещать, сканируя плазменно-пылевую структуру.
Были разработаны и изготовлены два комплекта аппаратуры: технологический (он же тренировоч ный) и полетный. В феврале 2001 года, после испытаний и предполетной подготовки на Байконуре, летный комплект доставили на служебный модуль российского сегмента МКС.
Первый эксперимент с частицами из меламинформальдегида выполнен в 2001 году. Ожидания ученых оправдались: впервые было обнаружено формирование трехмерных упорядоченных сильнозаряженных частиц микронного размера с большим параметром неидеальности - трехмерных плазменных кристаллов с гранецентрированной и объемно-центрированной решетками (илл. 7).
Возможность получать и исследовать плазменные образования различной конфигурации и протяженности возрастает, если использовать высокочастотный индукционный разряд. В области между однородной плазмой и ограничивающей ее стенкой или окружающим нейтральным газом можно ожидать левитации (зависания) как отдельных заряженных макрочастиц, так и их ансамблей. В цилиндрических стеклянных трубках, где разряд возбуждается кольцевым электродом, над плазменным образованием зависает большое число частиц. В зависимости от давления и мощности возникают либо устойчивые кристаллические структуры, либо структуры с колеблющимися частицами, либо конвективные потоки частиц. При использовании плоского электрода частицы зависают над дном наполненной неоном колбы и образуют упорядоченную структуру - плазменный кристалл. Пока что такие эксперименты проводятся в лабораториях на Земле и в условиях параболического полета, но в перспективе и эту аппаратуру планирует ся установить на МКС.
Уникальные свойства плазменных кристаллов (простота получения, наблюдения и контроля за параметрами, а также малые времена релаксации к равновесию и отклика на внешние возмущения) делают их прекрасным объектом при исследовании как свойств сильно неидеальной плазмы, так и фундаментальных свойств кристаллов. Результаты могут быть использованы для моделирования реальных атомарных или молекулярных кристаллов и изучения физических процессов с их участием.
Структуры макрочастиц в плазме - хороший инструмент и для прикладных задач, связанных с микроэлектроникой, в частности с удалением нежелательных частиц пыли при производстве микросхем, с конструированием и синтезом малого кристалла - нанокристалла, нанокластера, при плазменном напылении, с сепарацией частиц по размерам, разработкой новых высокоэффективных источников света, созданием электрических ядерных батарей и лазеров, рабочим телом в которых являются частицы радиоактивного вещества.
Наконец, вполне реально создание технологий, которые позволят осуществлять контролируемое осаждение взвешенных в плазме частиц на подложку и тем самым создавать покрытия с особыми свойствами, в том числе пористые и композитные, а также формировать частицы с многослойным покрытием из материалов с различными свойствами.
Возникают интересные задачи в микробиологии, медицине, экологии. Список возможного применения пылевой плазмы непрерывно расширяется.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Корреляционная функция g(r) показывает, с какой вероятностью можно найти другую частицу на расстоянии r от данной. Для частиц CeO2 в воздушной струе при комнатной температуре 300 К (а) и в плазме при температуре 2170 К (б) функция указывает на хаотичное распределение частиц. В плазме при температуре 1700 К (в) функция имеет максимум, то есть возникает структура, подобная жидкости.
Илл. 2. Установка для исследования пылевой плазмы в тлеющем разряде постоянного тока представляет собой вертикально ориентированную трубку, заполненную неоном при низком давлении, в которой создается тлеющий разряд. При определенных условиях в разряде наблюдаются стоячие страты - неподвижные зоны неравномерной светимости. Пылевые частицы содержатся в контейнере с сетчатым дном над областью разряда. При встряхивании контейнера частицы падают вниз и зависают в стратах, образуя упорядоченные структуры. Чтобы пыль была видна, ее подсвечивают плоским лазерным лучом. Рассеянный свет регистрируется видеокамерой. На экране монитора - видеоизображение плазменно-пылевых структур, полученное при освещении пылевых частиц лазерным пучком в зеленой области спектра.
Илл. 3. В тлеющем разряде возникает упорядоченная пылевая структура (а), которой соответствует корреляционная функция g(r) с несколькими выраженными максимума ми, характерными для кристалла (б).
Илл. 4. Удлиненные пылевые частицы (имеющие форму цилиндра) выстраиваются параллельно некоторой общей оси. Такое состояние называют плазменным жидким кристаллом по аналогии с молекулярными жидкими кристаллами, где имеется выделенное направление в ориентации длинных молекул.
Илл. 5. Вакуумная плазменная камера для изучения пылевой плазмы на Международной космической станции (МКС).
Илл. 6. В Институте теплофизики экстремальных состояний РАН сконструирована специальная установка для изучения плазменных кристаллов в высокочастотном разряде низкого давления. Кристаллическая структура хорошо видна при освещении пылевых частиц лазерными пучками в зеленой и красной областях спектра.
Илл. 7. Структуры пылевых частиц в трех горизонтальных слоях плазменно -пылевого образования: с объемно-центриро ванной решеткой (вверху), гранецентрированной решеткой (в центре) и с гексагональной плотной упаковкой (внизу).
Читайте в любое время
