La limpieza con plasma es la eliminación de impurezas y contaminantes de las superficies mediante el uso de un plasma energético o plasma de descarga de barrera dieléctrica (DBD) creado a partir de especies gaseosas. Se utilizan gases como argón y oxígeno , así como mezclas como aire e hidrógeno/nitrógeno. El plasma se crea utilizando voltajes de alta frecuencia (normalmente de kHz a > MHz) para ionizar el gas de baja presión (normalmente alrededor de 1/1000 de la presión atmosférica), aunque ahora también son comunes los plasmas a presión atmosférica. [1]
Métodos
En el plasma, los átomos del gas se excitan a estados de mayor energía y también se ionizan. A medida que los átomos y las moléculas se "relajan" a sus estados normales de menor energía, liberan un fotón de luz, lo que da como resultado el "resplandor" o luz característico asociado con el plasma. Diferentes gases dan diferentes colores. Por ejemplo, el plasma de oxígeno emite un color azul claro.
Las especies activadas de un plasma incluyen átomos , moléculas , iones , electrones , radicales libres , metaestables y fotones en el rango ultravioleta de onda corta (UV de vacío o VUV para abreviar). Esta mezcla luego interactúa con cualquier superficie colocada en el plasma.
Si el gas utilizado es oxígeno, el plasma es un método eficaz, económico y ambientalmente seguro para la limpieza crítica. La energía VUV es muy eficaz en la ruptura de la mayoría de los enlaces orgánicos (es decir, C – H, C – C, C = C, C – O y C – N) de contaminantes superficiales. Esto ayuda a descomponer los contaminantes de alto peso molecular. Una segunda acción de limpieza la llevan a cabo las especies de oxígeno creadas en el plasma (O 2 + , O 2 − , O 3 , O, O + , O − , ozono ionizado, oxígeno excitado metaestable y electrones libres). [2] Estas especies reaccionan con contaminantes orgánicos para formar H 2 O, CO, CO 2 e hidrocarburos de menor peso molecular. Estos compuestos tienen presiones de vapor relativamente altas y son evacuados de la cámara durante el procesamiento. La superficie resultante es ultralimpia. En la Fig. 2, se muestra un contenido relativo de carbono sobre la profundidad del material antes y después de la limpieza con oxígeno excitado [1] .
Si la pieza está formada por materiales que se oxidan fácilmente, como plata o cobre, el tratamiento utiliza en su lugar gases inertes como argón o helio. Los átomos e iones activados por plasma se comportan como un chorro de arena molecular y pueden descomponer los contaminantes orgánicos. Estos contaminantes se vaporizan durante el procesamiento y son evacuados de la cámara.
La mayoría de estos subproductos son pequeñas cantidades de gases, como dióxido de carbono y vapor de agua con trazas de monóxido de carbono y otros hidrocarburos.
Se puede evaluar si la eliminación orgánica es completa o no mediante mediciones del ángulo de contacto . Cuando hay presente un contaminante orgánico, el ángulo de contacto del agua con el dispositivo es alto. La eliminación de contaminantes reduce el ángulo de contacto a la característica del contacto con el sustrato puro. Además, XPS y AFM se utilizan a menudo para validar aplicaciones de esterilización y limpieza de superficies. [3]
Si una superficie a tratar está recubierta con una capa conductora estampada (metal, ITO ), el tratamiento por contacto directo con plasma (capaz de contraerse formando microarcos) podría ser destructivo. En este caso, se puede aplicar la limpieza mediante átomos neutros excitados en plasma hasta un estado metaestable. [4] Los resultados de las mismas aplicaciones a superficies de muestras de vidrio recubiertas con capas de Cr e ITO se muestran en la Fig. 3.
Después del tratamiento, el ángulo de contacto de una gota de agua disminuye y llega a ser menor que su valor en la superficie no tratada. En la Fig. 4, se muestra la curva de relajación de la huella de las gotas para una muestra de vidrio. En el recuadro de la Fig. 4 se muestra una fotografía de la misma gota en la superficie no tratada. El tiempo de relajación de la superficie correspondiente a los datos mostrados en la Fig. 4 es de aproximadamente 4 horas.
La incineración por plasma es un proceso que utiliza la limpieza con plasma únicamente para eliminar el carbono. La incineración de plasma siempre se realiza con gas O2 . [5]
Aplicaciones
Limpieza y esterilización
La limpieza con plasma elimina la contaminación orgánica mediante reacciones químicas o ablación física de hidrocarburos en las superficies tratadas. [3] Los gases de proceso químicamente reactivos (aire, oxígeno) reaccionan con monocapas de hidrocarburos para formar productos gaseosos que son arrastrados por el flujo continuo de gas en la cámara del limpiador de plasma. [6] La limpieza con plasma se puede utilizar en lugar de procesos químicos húmedos, como el grabado con pirañas, que contienen productos químicos peligrosos, aumentan el peligro de contaminación de los reactivos y corren el riesgo de grabar las superficies tratadas. [6]
Proteínas residuales en dispositivos biomédicos [3]
Limpieza de nanoelectrodos [7]
Ciencias de la vida
La viabilidad, función, proliferación y diferenciación celular están determinadas por la adhesión a su microambiente. [8] El plasma se utiliza a menudo como un medio libre de químicos para agregar grupos funcionales biológicamente relevantes (carbonilo, carboxilo, hidroxilo, amina, etc.) a las superficies de los materiales. [9] Como resultado, la limpieza con plasma mejora la biocompatibilidad o bioactividad del material y elimina proteínas y microbios contaminantes. Los limpiadores de plasma son una herramienta general en las ciencias biológicas y se utilizan para activar superficies para cultivo celular , [10] ingeniería de tejidos , [11] implantes y más.
Sustratos de ingeniería de tejidos [11]
Adhesión celular de polietilentereftalato (PET) [10]
Biocompatibilidad mejorada de los implantes: injertos vasculares, [12] Tornillos de acero inoxidable [13]
Estudios de confinamiento celular a largo plazo [14]
Litografía con plasma para modelar sustratos de cultivos celulares [15]
Clasificación de células por fuerza de adhesión [16]
Eliminación de antibióticos mediante virutas de acero activadas por plasma [17]
Secuenciación unicelular [18]
Ciencia de los Materiales
La humectación y modificación de superficies es una herramienta fundamental en la ciencia de materiales para mejorar las características del material sin afectar las propiedades generales. La limpieza con plasma se utiliza para alterar la química de la superficie del material mediante la introducción de grupos funcionales polares. La mayor hidrofilia (humectación) de la superficie después del tratamiento con plasma mejora la adhesión con recubrimientos acuosos, adhesivos, tintas y epoxis:
Termopotencia mejorada de películas de grafeno [19]
Mejora de la función de trabajo en heteroestructuras de semiconductores poliméricos [20]
Adhesión mejorada de fibras de polietileno de módulo ultraalto (Spectra) y fibras de aramida [21]
Litografía de plasma para estructuras superficiales a nanoescala y puntos cuánticos [22]
Micropatrones de películas delgadas [23]
Microfluidos
Las características únicas del flujo de fluidos a micro o nanoescala son aprovechadas por dispositivos de microfluidos para una amplia variedad de aplicaciones de investigación. El material más utilizado para la creación de prototipos de dispositivos de microfluidos es el polidimetilsiloxano (PDMS), por su rápido desarrollo y propiedades de material ajustables. La limpieza con plasma se utiliza para unir permanentemente chips de microfluidos PDMS con portaobjetos de vidrio o placas de PDMS para crear microcanales herméticos. [24]
Separación del plasma sanguíneo [25]
Secuenciación de ARN unicelular [18]
Válvulas de flujo electroosmóticas [26]
Patrones de humectabilidad en dispositivos microfluídicos [27]
Retención a largo plazo de la hidrofilicidad del dispositivo de microfluidos [28]
Adhesión mejorada al poli (propileno) [29]
Células solares y fotovoltaicas
El plasma se ha utilizado para mejorar el rendimiento de las células solares y la conversión de energía dentro de dispositivos fotovoltaicos:
La reducción del óxido de molibdeno (MoO 3 ) mejora la densidad de corriente de cortocircuito [30]
Modifique las nanohojas de TiO 2 para mejorar la generación de hidrógeno [31]
Conductividad mejorada de PEDOT:PSS para una mejor eficiencia en células solares de perovskita sin ITO [32]
Referencias
^ Evgeny V. Shun'ko y Veniamin V. Belkin (2007). "Propiedades de limpieza del oxígeno atómico excitado al estado metaestable 2s 2 2p 4 ( 1 S 0 )". J. Aplica. Física . 102 (8): 083304–1–14. Código Bib : 2007JAP...102h3304S. doi : 10.1063/1.2794857.
^ A. Pizzi; KL Mittal (2003). Manual de tecnología adhesiva, revisado y ampliado (2, ilustrado, edición revisada). Prensa CRC . pag. 1036.ISBN978-0824709860.
^ abc Banerjee, KK; Kumar, S.; Bremmell, KE; Griesser, HJ (1 de noviembre de 2010). "Eliminación a nivel molecular de contaminación proteica de superficies de modelos y materiales de dispositivos biomédicos mediante tratamiento con plasma de aire". Revista de infección hospitalaria . 76 (3): 234–242. doi :10.1016/j.jhin.2010.07.001. ISSN 0195-6701. PMID 20850199.
^ Evgeny V. Shun'ko y Veniamin V. Belkin (2012). "Superficies de tratamiento con oxígeno atómico excitados en plasma de descarga de barrera dieléctrica de O2 mezclado con N2". Avances de la AIP . 2 (2): 022157–24. Código Bib : 2012AIPA....2b2157S. doi : 10.1063/1.4732120 .
^ Conceptos básicos del tratamiento con plasma: http://www.plasmaetch.com/plasma-treatment-basics.php
^ abc Raiber, Kevin; Terfort, Andreas; Benndorf, Carsten; Krings, normando; Strehblow, Hans-Henning (5 de diciembre de 2005). "Eliminación de monocapas autoensambladas de alcanotiolatos sobre oro mediante limpieza con plasma". Ciencia de la superficie . 595 (1): 56–63. Código Bib :2005SurSc.595...56R. doi :10.1016/j.susc.2005.07.038. ISSN 0039-6028.
^ Sol, pinzas; Blanchard, Pierre-Yves; Mirkin, Michael V. (21 de abril de 2015). "Limpieza de Nanoelectrodos con Plasma de Aire". Química analítica . 87 (8): 4092–4095. doi : 10.1021/acs.analchem.5b00488. ISSN 0003-2700. PMID 25839963.
^ Khalili, Amelia Ahmad; Ahmad, Mohd Ridzuan (5 de agosto de 2015). "Una revisión de estudios de adhesión celular para aplicaciones biomédicas y biológicas". Revista Internacional de Ciencias Moleculares . 16 (8): 18149–18184. doi : 10.3390/ijms160818149 . ISSN 1422-0067. PMC 4581240 . PMID 26251901.
^ Lerman, Max J.; Lembong, Josefina; Muramoto, Shin; Gillen, Greg; Fisher, John P. (octubre de 2018). "La evolución del poliestireno como material de cultivo celular". Ingeniería de tejidos. Parte B, Reseñas . 24 (5): 359–372. doi :10.1089/ten.TEB.2018.0056. ISSN 1937-3376. PMC 6199621 . PMID 29631491.
^ ab Pratt, Kerri J.; Williams, Stuart K.; Jarrell, Bruce E. (1989). "Mejor adherencia de las células endoteliales adultas humanas a la descarga de plasma de tereftalato de polietileno modificado". Revista de investigación de materiales biomédicos . 23 (10): 1131-1147. doi :10.1002/jbm.820231004. ISSN 1097-4636. PMID 2530233.
^ ab Beardslee, Luke A.; Stolwijk, Judith; Khaladj, Dimitrius A.; Trebak, Mohamed; Halman, Justin; Torrejón, Karen Y.; Niamsiri, Nuttawee; Bergkvist, Magnus (agosto de 2016). "Un proceso de sacrificio para la fabricación de membranas poliméricas biodegradables con espesor submicrónico: UN PROCESO SACRIFICIAL PARA LA FABRICACIÓN DE MEMBRANAS POLIMÉRICAS BIODEGRADABLES". Revista de investigación de materiales biomédicos Parte B: Biomateriales aplicados . 104 (6): 1192-1201. doi :10.1002/jbm.b.33464. PMID 26079689.
^ Valencia, Sarra de; Tille, Jean-Christophe; Chaabane, Chiraz; Gurny, Robert; Bochaton-Piallat, Marie-Luce; Walpoth, Beat H.; Möller, Michael (1 de septiembre de 2013). "Tratamiento con plasma para mejorar la biocompatibilidad celular de un andamio de polímero biodegradable para aplicaciones de injerto vascular". Revista europea de farmacia y biofarmacia . 85 (1): 78–86. doi :10.1016/j.ejpb.2013.06.012. ISSN 0939-6411. PMID 23958319.
^ Kumar, Sunil; Simpson, Darren; Inteligente, Roger St. C. (15 de diciembre de 2007). "Procesamiento de plasma para inducir bioactividad en tornillos ortopédicos de acero inoxidable". Tecnología de superficies y revestimientos . ICMCTF 2007. 202 (4): 1242–1246. doi :10.1016/j.surfcoat.2007.07.075. ISSN 0257-8972.
^ Junkin, Michael; Wong, Pak Kin (1 de marzo de 2011). "Sondeo de la migración celular en entornos confinados mediante litografía de plasma". Biomateriales . 32 (7): 1848–1855. doi :10.1016/j.biomaterials.2010.11.009. ISSN 0142-9612. PMC 3023939 . PMID 21134692.
^ Nam, Ki-Hwan; Jamilpour, Nima; Mfoumou, Etienne; Wang, Fei-Yue; Zhang, Donna D.; Wong, Pak Kin (7 de noviembre de 2014). "Sondeo de la mecanoregulación de la diferenciación neuronal mediante sustratos elastoméricos estampados con litografía de plasma". Informes científicos . 4 (1): 6965. Código bibliográfico : 2014NatSR...4E6965N. doi :10.1038/srep06965. ISSN 2045-2322. PMC 4223667 . PMID 25376886.
^ Blackstone, BN; Willard, JJ; Lee, CH; Nelson, MT; Hart, RT; Lannutti, JJ; Powell, HM (21 de agosto de 2012). "Modificación de la superficie plasmática de fibras electrohiladas para la clasificación de células cancerosas basada en adherencias". Biología Integrativa . 4 (9): 1112-1121. doi :10.1039/c2ib20025b. PMID 22832548.
^ Tran, Van Son; Ngo, Huu Hao; Guo, Wenshan; Ton-Eso, Cuong; Li, Jianxin; Li, Jixiang; Liu, Yi (1 de diciembre de 2017). "Eliminación de antibióticos (sulfametazina, tetraciclina y cloranfenicol) de una solución acuosa mediante virutas de acero crudas y modificadas con plasma de nitrógeno". Ciencia del Medio Ambiente Total . 601–602: 845–856. Código Bib : 2017ScTEn.601..845T. doi :10.1016/j.scitotenv.2017.05.164. hdl : 10453/114587 . ISSN 0048-9697. PMID 28578242.
^ ab Gierahn, Todd M.; Wadsworth, Marc H.; Hughes, Travis K.; Bryson, Bryan D.; Mayordomo, Andrés; Satija, Rahul; Fortuna, Sara; Con cariño, J. Christopher; Shalek, Alex K. (abril de 2017). "Seq-Well: secuenciación de ARN portátil y de bajo costo de células individuales con alto rendimiento". Métodos de la naturaleza . 14 (4): 395–398. doi :10.1038/nmeth.4179. hdl :1721.1/113430. ISSN 1548-7105. PMC 5376227 . PMID 28192419.
^ Xiao, Ni; Dong, Xiaochen; Canción, Li; Liu, Dayong; Tay, YeeYan; Wu, Shixin; Li, Lain-Jong; Zhao, Yang; Yu, Ting; Zhang, Hua; Huang, Wei (26 de abril de 2011). "Termopotencia mejorada de películas de grafeno con tratamiento con plasma de oxígeno". ACS Nano . 5 (4): 2749–2755. doi : 10.1021/nn2001849. hdl : 10220/7452 . ISSN 1936-0851. PMID 21417404.
^ Marrón, Thomas M.; Lazzerini, G. Mattia; Parrott, Lisa J.; Bodrožic, V.; Bürgi, Lucas; Cacialli, Franco (1 de abril de 2011). "Mejora de la función de trabajo inducida por plasma de oxígeno del electrodo y congelación en heteroestructuras de polímeros semiconductores". Electrónica Orgánica . 12 (4): 623–633. doi :10.1016/j.orgel.2011.01.015. ISSN 1566-1199.
^ Biro, David A.; Pleizier, Gerald; Deslandes, Yves (1993). "Aplicación de la técnica de microenlaces. IV. Mejora de la adhesión fibra-matriz mediante el tratamiento con plasma de RF de fibras orgánicas". Revista de ciencia aplicada de los polímeros . 47 (5): 883–894. doi : 10.1002/app.1993.070470516. ISSN 1097-4628.
^ Junkin, Michael; Watson, Jennifer; Geest, Jonathan P. Vande; Wong, Pak Kin (2009). "Autoensamblaje guiado por plantilla de puntos cuánticos coloidales mediante litografía de plasma". Materiales avanzados . 21 (12): 1247-1251. doi :10.1002/adma.200802122. ISSN 1521-4095. S2CID 19900235.
^ Kim, Hyejin; Yoon, Bokyung; Sung, Jinwoo; Choi, Dae-Geun; Parque, Cheolmin (15 de julio de 2008). "Micropatrones de películas finas P3HT mediante impresión por transferencia de polímeros mejorada con plasma". Revista de Química de Materiales . 18 (29): 3489–3495. doi :10.1039/B807285J. ISSN 1364-5501.
^ Chen, Cheng-fu (3 de junio de 2018). "Caracterización de la energía de fractura y la tenacidad de la unión PDMS-PDMS de plasma de aire mediante pruebas de pelado en T". Revista de ciencia y tecnología de la adhesión . 32 (11): 1239-1252. doi :10.1080/01694243.2017.1406877. ISSN 0169-4243. S2CID 139954334.
^ Rafeie, Mehdi; Zhang, junio; Asadnia, Mohsen; Li, Weihua; Warkiani, Majid Ebrahimi (19 de julio de 2016). "Multiplexación de microcanales en espiral inclinados para una separación ultrarrápida del plasma sanguíneo". Laboratorio en un chip . 16 (15): 2791–2802. doi :10.1039/C6LC00713A. ISSN 1473-0189. PMID 27377196.
^ Martín, Ina T.; Dressen, Brian; Boggs, Marcos; Liu, Yan; Enrique, Charles S.; Pescador, Ellen R. (2007). "Modificación con plasma de dispositivos microfluídicos PDMS para el control del flujo electroosmótico". Procesos de Plasma y Polímeros . 4 (4): 414–424. doi :10.1002/ppap.200600197. ISSN 1612-8869.
^ Kim, Samuel C.; Sukovich, David J.; Abate, Adam R. (14 de julio de 2015). "Modelado de la humectabilidad de dispositivos de microfluidos con oxidación de plasma controlada espacialmente". Laboratorio en un chip . 15 (15): 3163–3169. doi :10.1039/C5LC00626K. ISSN 1473-0189. PMC 5531047 . PMID 26105774.
^ Zhao, Li Hong; Lee, Jennifer; Sen, Pabitra N. (1 de julio de 2012). "Retención a largo plazo del comportamiento hidrofílico de superficies de polidimetilsiloxano (PDMS) tratadas con plasma almacenadas bajo agua y caldo Luria-Bertani". Sensores y Actuadores A: Físicos . 181 : 33–42. doi :10.1016/j.sna.2012.04.038. ISSN 0924-4247.
^ Bhat, Nevada; Upadhyay, DJ (24 de octubre de 2002). "Modificación de la superficie inducida por plasma y mejora de la adhesión de la superficie del polipropileno". Revista de ciencia aplicada de los polímeros . 86 (4): 925–936. doi : 10.1002/aplicación.11024 . ISSN 0021-8995.
^ Sol, Jen-Yu; Tseng, Wei-Hsuan; Lan, Shiang; Lin, Shang-Hong; Yang, Po Ching; Wu, Chih-I; Lin, Ching-Fuh (1 de febrero de 2013). "Mejora del rendimiento en energía fotovoltaica de polímero invertido con MoOX procesado en solución y tratamiento con plasma de aire para modificación del ánodo". Materiales de Energía Solar y Células Solares . 109 : 178–184. doi :10.1016/j.solmat.2012.10.026. ISSN 0927-0248.
^ Kong, Xiangchen; Xu, Yiming; Cui, Zhenduo; Li, Zhaoyang; Liang, Yanqin; Gao, Zhonghui; Zhu, Shengli; Yang, Xianjin (15 de agosto de 2018). "El defecto mejora la actividad fotocatalítica de nanohojas ultrafinas de TiO 2 (B) para la producción de hidrógeno mediante el método de grabado por plasma". Catálisis Aplicada B: Ambiental . 230 : 11-17. doi :10.1016/j.apcatb.2018.02.019. ISSN 0926-3373. S2CID 103280998.
^ Vaagensmith, Bjorn; Reza, Khan Mamun; Hasan, MD Nazmul; Elbohy, Hytham; Adhikari, Nirmal; Dubey, Ashish; Kantack, Nick; Gaml, Eman; Qiao, Qiquan (18 de octubre de 2017). "PEDOT tratado con plasma respetuoso con el medio ambiente: PSS como electrodos para células solares de perovskita sin ITO". Interfaces y materiales aplicados de ACS . 9 (41): 35861–35870. doi :10.1021/acsami.7b10987. ISSN 1944-8244. PMID 28901734.