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Un reattore al plasma a microonde è un sistema specializzato utilizzato per i processi di deposizione chimica da vapore, in particolare per sintetizzare materiali come diamanti, nanotubi di carbonio e grafene. Questo reattore utilizza energia a microonde a una frequenza di 2,45 GHz per generare un plasma all'interno di una camera controllata. Il plasma si forma sopra un tavolo di substrato, lontano dalle superfici del reattore, e può essere regolato in posizione rispetto alla finestra di quarzo trasparente alle microonde per ottimizzare il circuito a microonde.

Spiegazione dettagliata:

1. Generazione di microonde e formazione del plasma:

2. Il reattore è dotato di un generatore di microonde che opera a 2,45 GHz, una frequenza comune per applicazioni industriali e scientifiche. Le microonde vengono trasmesse nella camera cilindrica attraverso una guida d'onda rettangolare e un convertitore di modalità. All'interno della camera, le microonde creano un campo elettromagnetico risonante che riscalda ed eccita i gas reagenti, formando un plasma. Questo plasma è tipicamente una massa a forma di palla sopra il substrato, che è cruciale per il processo di deposizione.Riscaldamento del substrato e controllo dei gas:

3. I substrati nel reattore possono essere riscaldati indipendentemente dalla generazione del plasma attraverso metodi come il riscaldamento a induzione (fino a 1000°C) e il riscaldamento in sbieco. Questo controllo indipendente consente una regolazione precisa della temperatura durante il processo di deposizione. I gas utilizzati nel reattore sono introdotti attraverso tubazioni in acciaio inossidabile e la loro portata è controllata da un misuratore di portata massica. L'unità di controllo dei gas MKS supporta una varietà di gas, tra cui idrogeno, metano, acetilene, argon, azoto, ossigeno e altri, essenziali per diversi tipi di sintesi di materiali.

4. Progettazione del reattore e sfide:

5. La progettazione dei reattori al plasma a microonde deve affrontare diverse sfide, tra cui la fuga termica, la rottura della tensione e l'arco elettrico. Per evitare questi problemi, il progetto del reattore deve garantire che l'intensità del campo di microonde sia ottimizzata per evitare l'arco elettrico, riducendo al minimo la perdita di calore. Inoltre, il reattore deve essere progettato per evitare l'ingresso di polvere nel sistema di guide d'onda e per evitare angoli e spigoli vivi che potrebbero portare a surriscaldamenti e archi localizzati. Anche le procedure di messa a punto sono fondamentali per evitare l'accoppiamento dell'arco con la potenza riflessa.Tipi di reattori al plasma a microonde:

Nel corso del tempo sono stati sviluppati vari tipi di reattori al plasma a microonde, ciascuno con geometrie diverse progettate per migliorare l'alloggio della potenza a microonde. Si va dal semplice tubo di quarzo a strutture più complesse come l'ellissoide, la cupola, il risonatore multimodale non cilindrico, l'antenna-ellissoide ad anello e il riflettore conico. Ogni progetto mira a migliorare la capacità di focalizzazione delle microonde, a proteggere le finestre dielettriche dall'incisione del plasma e a migliorare la capacità di sintonizzazione.