Volt{0}}amperska karakteristična krivulja 172 nm ekscimerne svetlobne plinske razelektritve
3.3.7 Pojavi luminiscence v plinski razelektritvi
Sodobna tehnologija ionske prevleke
(Nadaljevanje pojavov luminiscence v plinski razelektritvi)
Luminescenca vzbujanja
Resonančno vzbujeni atomi bodo prešli nazaj na stabilne energijske ravni v 10⁻⁸ s, pri čemer bodo sprostili energijo, absorbirano med prehodom vzbujanja. Ta energija se oddaja v obliki fotonov, ki proizvajajo vzbujevalno luminiscenco. Pri določenih nizkotlačnih-razelektritvah, kot so tiste, ki vključujejo ksenon, lahko ta proces ustvari tudi vakuumsko ultravijolično sevanje, vključno s 172 nm ekscimerno svetlobo.
Rekombinacijska luminiscenca
V prostoru za razelektritev, ko ioni naletijo na elektrone, se rekombinirajo in tvorijo stabilne atome. Prvotno absorbirana energija se med procesom rekombinacije sprosti v obliki fotonov, kar povzroči rekombinacijsko luminiscenco.
Zaradi razlik v atomski strukturi in energiji nivojev energije elektronov se frekvence vzbujalne luminiscence in rekombinacijske luminiscence razlikujejo, kar vodi do različnih barv luminiscence. Med ionsko prevleko nenehno potekajo procesi, kot je rekombinacija elektronov in ionov, tri{1}}rekombinacija kovinskih ionov, elektronov in reakcijskih plinov ter prehod resonančno vzbujenih atomov nazaj v stabilna stanja, ki ustvarjajo luminiscenco. Intenzivnejša kot je ionizacija, močnejša je intenzivnost svetlobe. Različni elementi imajo različne ravni energije elektronov, zato se njihove barve luminiscence razlikujejo: argon oddaja nebesno-modro svetlobo, filmi titanovega nitrida, naneseni z dušikom 通入, pa imajo češnjevo-rdečo barvo. Iz zgornjih reakcijskih procesov je razvidno, da se v razelektritvenem prostoru ionskega plašča elektroni z visoko-energijo nenehno neelastično trčijo s plinom, pri čemer nastajajo atomi in ioni, ki so vzbujeni z visoko-energijo. Ti visoko{10}}energetsko vzbujeni atomi in ioni so nato podvrženi vrsti zapletenih trkov z nizkoenergijskimi plinskimi atomi in kovinskimi atomi, kar povzroči ione in atome različnih energijskih ravni v prostoru za praznjenje. Razelektritveni prostor je napolnjen z velikim številom aktivnih delcev, katerih energija je veliko višja od energije vnesenih plinskih atomov in izhlapelih kovinskih atomov. Vsi visoko{14}}energijski delci v prekrivnem prostoru izvirajo iz visoko{15}}energijskih elektronov. Zato je več elektronov v prostoru za prevleko, več-delcev z visoko{17}}energijo je prisotnih med prevleko, večja je skupna energija delcev filma in bolj ugodno je za kemične reakcije, da tvorijo visoko{18}}kakovostne filme. Sodobne tehnologije ionske prevleke si prizadevajo pridobiti več elektronov za povečanje gostote plazme v prostoru prevleke, s čimer se poveča skupna energija filmskih delcev.
3.4 Izpust plina
3.4.1 Postopek izpusta plina
Lavinski izpust
Izpraznite posodo; ko je stopnja vakuuma med 1~10 Pa, vklopite napajanje med katodo in anodo. Na tej točki se prvotni elektroni v vakuumski komori pod delovanjem električnega polja pospešijo. Ko energija elektronov doseže določeno vrednost, trčijo ob nevtralne molekule plina in jih ionizirajo. Ioni pospešujejo proti katodi, elektroni pa proti anodi; med tem procesom pride do večje trkovne ionizacije in število nabitih delcev se hitro poveča, kar tvori proces elektronskega plazu (imenovan tudi plazovna razelektritev), kot je prikazano na sliki 3-5 [3]. To praznjenje je ne-samostojen proces praznjenja; če odstranimo izvorni vir ionizacije, se praznjenje takoj ustavi.
Iz Paschenove krivulje je razvidno, da je za sprožitev žarilne razelektritve potrebna najmanjša katodna napetost. Praksa kaže, da ko se začne praznjenje plina, napetost praznjenja močno pade, kar pomeni, da izbrana napetost vžiga ni minimalna napetost vžiga. Na splošno se po vžigu plina napetost praznjenja samodejno zmanjša na napetost, ki vzdržuje samo-trajno praznjenje. Vžigalna napetost razelektritve argona z materiali na osnovi železa je na primer približno 265 V.
3.4.2 Volt-Amperska karakteristična krivulja plinske razelektritve
Merjenje volt-amperske karakteristične krivulje
Krivulja spremembe napetosti-toka med obema elektrodama razelektritve v plinu se imenuje volt-amperska karakteristična krivulja. Na sliki 3-7 je prikazana naprava za merjenje volt-amperske karakteristične krivulje razelektritve plina [10], kjer je Eₐ enosmerni napajalnik, Rₐ pa spremenljivi upor. Po vklopu napajalnika Eₐ izmerite napetost in tok med elektrodama ter narišite krivuljo variacije napetosti-toka med razelektritvijo plina, tj. volt-ampersko karakteristiko [3−12].
Značilnosti Volt{0}}Amperske karakteristične krivulje
Slika 3-8 prikazuje volt-ampersko karakteristično krivuljo razelektritve plina [3]:
Območje ne{0}}samo{1}}trajne temne razelektritve (Ⅰ)
V segmentu AB na sliki 3-8 se pojavi zelo šibek tok (10⁻¹² A), ko napetost postopoma narašča od 0. Ta tok nastane zaradi ionizacije prostora, ki jo povzročijo preostali elektroni v prostoru. V tem območju, čeprav razelektritveni tok narašča z med-napetostjo elektrod, je tok šibek in ni vidne nobene luminiscence; to se imenuje ne-samostojna-temna razelektritev, ki spada v plazoviti Townsendov proces razelektritve.
Samo{0}}območje samostojne temne razelektritve (Ⅱ)
Od točke B se začne-stopnja samovzdrževane razelektritve, ki povzroči plaz-kot Townsendova razelektritev. Napetost v točki B (Vᵇ, imenovana tudi prebojna napetost) je na splošno višja od minimalne napetosti vžiga Uₘᵢₙ pod eksperimentalnimi pogoji (p,d). Šibka luminiscenca se pojavi v segmentu BC, ki se imenuje območje samo-temne razelektritve.
Območje prehoda (območje koronskega praznjenja Ⅲ, območje zgodnjega normalnega sijočega praznjenja Ⅳ)
Če upor v tokokrogu ni velik, razelektritev hitro preide v točko E skozi prehodno območje: napetost močno pade na Vₙ, tok se nenadoma poveča in na katodi se pojavi močan sij, ki vstopi v normalno območje žareče razelektritve.
Območje normalne žareče razelektritve (Ⅴ)
Iz volt{0}}amperske karakteristične krivulje praznjenja je Vᵇ napetost vžiga, Vₙ pa napetost, ki ohranja stabilno normalno žarečo razelektritev (tj. Uₘᵢₙ v Paschenovi krivulji). Po prehodu v normalno žarečo razelektritev iz točke E oddaja svetlobo samo del površine katode (imenovan katodna pega). Zmanjšanje tokovno-omejitvenega upora poveča območje žarenja. Med-elektrodni tok narašča s površino žarenja, vendar napetost normalne žareče razelektritve ostaja konstantna-to je značilnost običajne žareče razelektritve.
(Opombe za sliko 3-8: Volt-Amperska karakteristična krivulja plinske razelektritve Ⅰ-Ne-Samo-območje trajne temne razelektritve Ⅱ-Samo-območje trajne temne razelektritve 3-območje koronske razelektritve Ⅳ-Območje zgodnjega normalnega žarečega praznjenja Ⅴ-Območje normalnega žarečega praznjenja Ⅵ-Nenormalno območje žarečega praznjenja Ⅶ-Prehodno območje iz žarenja v obločno razelektritev Ⅷ-Območje praznjenja obloka Vᵇ-Vžigalna napetost praznjenja Vₙ-Normalna žarilna razelektritvena napetost Vᵍ-obločna razelektritvena napetost)
Območje nenormalne sijoče razelektritve (Ⅵ)
Ko katodna pega pokrije celotno površino katode (tj. doseže točko F), se tok med-elektrodami poveča, ko se poveča napetost med-elektrodami-to je nenormalna stopnja žareče razelektritve. Segment FG ima značilnosti nenormalne žareče razelektritve z gostoto toka na ravni mA/cm². V bližini točke G je gostota katodnega toka zelo visoka; lokalna katoda se segreje v stanje močne termoelektrične emisije, prostorski upor se zmanjša, napetost močno pade, tok se nenadoma poveča in zlahka preide v obločno razelektritev.
Območje prehoda od žarenja do obločne razelektritve (Ⅶ)
Od točke G napetost med-elektrodama močno pade z nekaj sto voltov na desetine voltov, gostota toka pa skoči z ravni mA/cm² na raven 100 A/cm². Točka G je napetost vžiga obloka, segment GH pa prehodno območje od nenormalne žarilne razelektritve do obločne razelektritve. Ta pojav je enostavno doseči, če to dopušča napajanje.
Območje praznjenja obloka (Ⅷ)
Od točke H vstopi v stabilno območje z napetostjo več deset voltov in gostoto toka nad 100 A/cm². V specializiranih aplikacijah lahko podobna okolja z nizkim{2}}tlakom povzročijo intenzivne ultravijolične emisije, kot je 172 nm ekscimerna svetloba iz vzbujenih ksenonskih dimerjev.
