Análisis teórico del contacto plasma-superficie y sus aplicaciones industriales

Abstract

Actualmente, la física de plasmas constituye una parte importante de la investigación en física que está siendo desarrollada. Su campo de aplicación varía desde el estudio de plasmas interestelares y cósmicos, como las estrellas, las nebulosas, el medio intergaláctico, etc.; hasta aplicaciones más terrenales como la producción de microchips o los dispositivos de iluminación. Resulta particularmente interesante el estudio del contacto de una superficie metálica con un plasma. Siendo la razón que, la dinámica de la interfase formada entre un plasma imperturbado y una superficie metálica, resulta de gran importancia cuando se trata de estudiar problemas como: la implantación iónica en una oblea de silicio, el grabado por medio de plasmas, la carga de una aeronave cuando atraviesa la ionosfera y la diagnosis de plasmas mediante sondas de Langmuir. El uso de las sondas de Langmuir está extendido a través de multitud de aplicaciones tecnológicas e industriales como método de diagnosis de plasmas. Algunas de estas aplicaciones han sido mencionadas justo en el párrafo anterior. Es más, su uso también es muy popular en la investigación en física de plasmas, por ser una de las pocas técnicas de diagnosis que proporciona información local sobre el plasma. El equipamiento donde es habitualmente implementado varía desde plasmas de laboratorio de baja temperatura hasta plasmas de fusión en dispositivos como tokamaks o stellerators. La geometría más popular de este tipo de sondas es cilíndrica, y la principal magnitud que se usa para diagnosticar el plasma es la corriente recogida por la sonda cuando se encuentra polarizada a un cierto potencial. Existe un interes especial en diagnosticar por medio de la medida de la corriente iónica recogida por la sonda, puesto que produce una perturbación muy pequeña del plasma en comparación con el uso de la corriente electrónica. Dada esta popularidad, no es de extrañar que grandes esfuerzos se hayan realizado en la consecución de un modelo teórico que explique el comportamiento de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma. Hay que remontarse a la primera mitad del siglo XX para encontrar las primeras teorías que permiten diagnosticar parámetros del plasma mediante la medida de la corriente iónica recogida por la sonda de Langmuir. Desde entonces, las mejoras en estos modelos y el desarrollo de otros nuevos ha sido una constante en la investigación en física de plasmas. No obstante, todavía no está claro como los iones se aproximan a la superficie de la sonda. Las dos principales, a la par que opuestas, aproximaciones al problema que están ampliamente aceptadas son: la radial y la orbital; siendo el problema que ambas predicen diferentes valores para la corriente iónica. Los experimentos han arrojado resultados de acuerdo con ambas teorías, la radial y la orbital; y lo que es más importante, una transición entre ambos ha sido recientemente observada. La mayoría de los logros conseguidos a la hora de comprender como los iones caen desde el plasma hacia la superficie de la sonda, han sido llevados a cabo en el campo de la dinámica de fluidos o la teoría cinética. Por otra parte, este problema puede ser abordado mediante el uso de simulaciones de partículas. La principal ventaja de las simulaciones de partículas sobre los modelos de fluidos o cinéticos es que proporcionan mucha más información sobre los detalles microscópicos del movimiento de las partículas, además es relativamente fácil introducir interacciones complejas entre las partículas. No obstante, estas ventajas no se obtienen gratuitamente, ya que las simulaciones de partículas requieren grandísimos recursos. Por esta razón, es prácticamente obligatorio el uso de técnicas de procesamiento paralelo en este tipo de simulaciones. El vacío en el conocimiento de las sondas de Langmuir, es el que motiva nuestro trabajo. Nuestra aproximación, y el principal objetivo de este trabajo, ha sido desarrollar una simulación de partículas que nos permita estudiar el problema de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma y que está negativamente polarizada con respecto a éste. Dicha simulación nos permitiría estudiar el comportamiento de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir, así como arrojar luz sobre la transición entre las teorías radiales y orbitales que ha sido observada experimentalmente. Justo después de esta sección introductoria, el resto de la tesis está dividido en tres partes tal y como sigue: La primera parte está dedicada a establecer los fundamentos teóricos de las sondas de Langmuir. En primer lugar, se realiza una introducción general al problema y al uso de sondas de Langmuir como método de diagnosis de plasmas. A continuación, se incluye una extensiva revisión bibliográfica sobre las diferentes teorías que proporcionan la corriente iónica recogida por una sonda. La segunda parte está dedicada a explicar los detalles de las simulaciones de partículas que han sido desarrolladas a lo largo de nuestra investigación, así como los resultados obtenidos con las mismas. Esta parte incluye una introducción sobre la teoría que subyace el tipo de simulaciones de partículas y las técnicas de paralelización que han sido usadas en nuestros códigos. El resto de esta parte está dividido en dos capítulos, cada uno de los cuales se ocupa de una de las geometrías consideradas en nuestras simulaciones (plana y cilíndrica). En esta parte discutimos también los descubrimientos realizados relativos a la transición entre el comportamiento radial y orbital de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir. Finalmente, en la tercera parte de la tesis se presenta un resumen del trabajo realizado. En este resumen, se enumeran brevemente los resultados de nuestra investigación y se han incluido algunas conclusiones. Después de esto, se enumeran una serie de perspectivas futuras y extensiones para los códigos desarrollados.

Nowadays, plasma physics constitutes an important part of the physics research that is currently being developed. Its field of applicability ranges from the study of interestelar and cosmic plasmas as stars, nebulae, intergalactic medium, etc.; to more down-to-earth applications as microchip manufacturing or lighting devices. It results of particular interest the study of the contact of a metallic surface with a plasma. The reason being that, the dynamics of the interphase formed between an unperturbed plasma and a metallic surface, results of great importance when it comes to study problems such as: ion implantation in a silicon wafer, plasma etching, charge of a spacecrafts when crossing the ionosphere and plasma diagnosis with Langmuir probes. The use of Langmuir probes is widespread across lots of technological and industrial applications as a plasma diagnosing technique. Some of this applications have just been mentioned in the previous paragraph. Moreover, it is also very popular in plasma physics research, as it is one of the few diagnosing techniques that provides local information about the plasma. The equipment where it is commonly implemented varies from low temperature laboratory plasmas to fusion plasmas in devices like tokamaks or stellarators. The most popular geometry of such probes is cylindrical, and the main magnitude that it is used to diagnose a plasma is the current collected by the probe when biased at a certain voltage. There is a remarkable interest in diagnosing by measuring the ion current collected by the probe, since it produce very little perturbation of the plasma when compared to the use of the electron current. Due to such popularity, it is not strange that great efforts have been made in the pursuit of a theoretical model that explains the behaviour of a Langmuir probe immersed in a plasma. We have to go back to the first half of the XX century to find the firsts theories that allow us to diagnose plasma parameters by measuring the ion current collected by a Langmuir probe. Since then, the improvements of these models and the development of new ones has been a constant in the plasma physics research. Nevertheless, it is still not clear how ions approach the surface of the probe. The two main, and opposite, frameworks that are widely accepted are: the radial and the orbital one; being the problem that they predict different values for the ion current. Experimentalists have found results in accordance to both, the radial and orbital theories; but more important, it has been recently found a transition between both of them. Most of the achievements accomplished to figure out how ions fall from the plasma to the surface of a probe, have been developed in the field of the fluid dynamics or kinetic theory. On the other hand, this problem can be tackled by using particle simulations. The main advantages of particle simulations over fluid or kinetic models are that they provide much more information about the microscopic details of the movement of the particles, and that it is relatively easy to introduce complex interactions between particles. However, this advantages come at a price, and particle simulations are extremely resource demanding. Because of that reason, it is almost mandatory to use parallelisation techniques in this kind of simulations. It is the void in the Langmuir probe knowledge, which motivates our work. Our approach here, and the main objective of this work, has been to develop a particle simulation that allows us to study the problem of a Langmuir probe immersed into a plasma and negatively biased with respect to it. This simulation would allow us to study the behaviour of ions in the surroundings of a cylindrical Langmuir probe, and to shed light in the experimentally found transition between the radial and orbital theories. Right after this introductory section, the rest of the thesis is divided into three parts as follows: The first part is devoted to establish the theoretical foundations of Langmuir probes. First, a general introduction to the problem and the use of Langmuir probes as a plasma diagnosing technique is made. Then, an extensive bibliographic review about the different theories that provides the ion current collected by a cylindrical probe is included. The second part is devoted to explain the details of the particle simulations developed along our research as well as the results obtained with them. This part includes an introduction about the theory behind particle simulations and the parallelisation techniques that have been used in our codes. The rest of this part is divided into two chapters, each one concerning one of the geometries considered in our simulations (planar and cylindrical). In this part we discuss our findings in the transition between the radial and orbital behaviour of ions in the vicinity of a cylindrical Langmuir probe. Finally, in the third part of the thesis a summary of the work is presented. In this summary the results of the research are briefly enumerated and some conclusions are included. After that, future research outlooks and extensions for the developed codes are outlined.