Oberflächenmodifizierung von Polymethylmethacrylat durch ...

Kapitel 2: Theoretische Grundlagen 17
2.4 Grundlagen der Niederdruck-(ND)-Plasmatechnik
In der Reihenfolge der Aggregatzustände der Materie fest – flüssig – gasförmig wird der vierte
Aggregatzustand als Plasma bezeichnet. Bei einem Plasma handelt es sich um ein ionisiertes
Gas, d. h. ein Gas, in dem sich neben den elektrisch neutralen Gasteilchen (Atome, Moleküle)
geladene Teilchen (freie Elektronen und positive Ionen) befinden. Die Plasmateilchen stehen
dabei untereinander in ständiger Wechselwirkung [21].
Das Plasma scheint nach außen hin neutral, da im Mittel die Anzahl der negativen Ladungen
durch die Anzahl der positiven Ladungen je Volumeneinheit kompensiert wird. Diese Tatsache
wird als Quasineutralität des Plasmas bezeichnet [54]. Das Vorhandensein frei beweglicher
elektrischer Ladungsträger führt aber auch dazu, dass ein Plasma elektrisch leitend ist. Die
Ladungsträger im Plasma lassen sich dabei durch elektrische und magnetische Felder
beeinflussen (Lorentz-Kraft, Coulomb-Kraft).
Die am weitesten verbreiteten plasmabasierten Prozesse zur Oberflächenbehandlung beruhen
auf der Anwendung von Niedertemperaturplasmen in einer Reaktivgasatmosphäre. Das
Niedertemperaturplasma, auch Niederdruckplasma (kurz: ND-Plasma) oder „kaltes“ Plasma
genannt, ist durch niedrige Drücke (p < 100 Pa = 1 mbar) gekennzeichnet. Der Druck
bestimmt über die mittlere freie Weglänge ganz wesentlich die Plasma- und damit die
Anwendungseigenschaften. Die mittlere freie Weglänge l beschreibt die durchschnittliche
Weglänge, die von einem Restgasatom oder –molekül ohne Zusammenstoß durchflogen wird.
Die mittlere freie Weglänge ist dabei umgekehrt proportional zum Druck. Weiterhin ist die
mittlere freie Weglänge auch gasart- und temperaturabhängig [55]. Für Luft bei 20°C gilt mit
guter Näherung:
l ... mittlere freie Weglänge [cm]
p ... Restgasdruck [Pa]
0,
665
l = [cm]. (4)
p
D. h., bei 0,665 Pa beträgt die mittlere freie Weglänge 1 cm [56].
Während die Temperatur der Ionen und neutralen Gasteilchen im ND-Plasma annähernd der
Raumtemperatur entspricht, kann die Temperatur (die kinetische Energie) der freien
Elektronen durchaus einige Elektronenvolt (mehrere 10 000 K) betragen [57]. Dieser Zustand
wird deshalb als Nichtgleichgewichtsplasma bzw. nichtthermisches Plasma bezeichnet. Durch
diese Temperatureigenschaft ist der Einsatz von Niederdruckplasmen für die Modifizierung
von temperaturempfindlichen Materialien, wie z. B. Polymere, möglich.
Bei thermischen Plasmen (Gleichgewichtsplasmen) hingegen befinden sich die Elemente im
thermischen Gleichgewicht. Aufgrund der hohen Temperaturen, einige 100 eV (wobei 1 eV
einer Temperatur von 11 600 K entspricht), werden sie auch als „heiße“ Plasmen bezeichnet.
Im Zustand der Quasineutralität sind die positiven und negativen Ladungen je Volumeneinheit
gleich groß, d. h. me = mi ≡ m (unter der Annahme, dass nur einfach geladene Ionen
vorliegen), wobei m die Trägerdichte, d. h. die Anzahl der Trägerpaare pro m -3 bezeichnet.
Die Plasmadichte eines kalten Plasmas liegt zwischen 10 15 m -3 und 10 18 m -3 .
Eine weitere Kenngröße ist der Ionisierungsgrad eines Plasmas. Dieser gibt an, wie viele der
vorhandenen Neutralteilchen ionisiert sind, d. h. durch Ionisation Elektronen abgegeben haben.