2.4 SONDA SIMPLE DE LANGMUIR
2.4.1 PROPIEDADES DE LA SONDA DISEÑADA
1.- Punta de la sonda
La punta de la sonda consiste de un alambre de metal cilíndrico delgado con diámetro de 0.38mm y una longitud de 5mm. El alambre es de tungsteno, ya que presenta las siguientes
propiedades: resiste al ataque del oxígeno, de los ácidos y de los alcalís aunque reacciona en medios alcalinos oxidantes fundidos. Su temperatura de fusión es la más alto de todos los metales. Sin embargo, la presencia de impurezas lo vuelven quebradizo y difícil de procesar. Su temperatura de fusión elevada hace de este material el ideal para su utilización como filamento eléctrico (i.e.. en bombillas) [12].
Las Tablas 1, 2, 3, 4 y 5, se presentan las propiedades atómicas, eléctricas, mecánicas, físicas y térmicas respectivamente del tungsteno utilizado [13].
Tabla 1. Propiedades atómicas del tungsteno utilizado.
Propiedades Atómicas
Estructura Cristalina Cúbico centrado
Estructura Electrónica Xe 4f14 5d4 6s2
Función de Trabajo Foto-eléctrico ( eV ) 4,55
Número Atómico 74
Peso Atómico ( amu ) 183,85
Potencial de Ionización N. eV
1 7,98
2 17,7
Radio Atómico - Goldschmidt ( nm ) 0,141
Tabla 2. Propiedades eléctricas del tungsteno.
Propiedades Eléctricas
Resistividad Eléctrica ( µOhmcm ) 5,4 a 20ºC
Coeficiente de Temperatura ( K-1 ) 0,0048 a 0-100ºC
Temperatura Crítica de Superconductividad ( K ) 0,0154
Tabla 3. Propiedades mecánicas del tungsteno.
Propiedades Mecánicas
Estado del Material Blando Duro Policristalino
Dureza - Vickers 360 500
Límite Elástico ( MPa ) 550
Módulo Volumétrico ( GPa ) 311
Módulo de Tracción ( GPa ) 411
Resistencia a la Tracción ( MPa ) 550-620 1920
Tabla 4. Propiedades físicas del tungsteno.
Propiedades Físicas
Densidad ( g cm-3 ) 19,3 a 20ºC
Punto de Ebullición (ºC ) 5660
Punto de Fusión (ºC ) 3410
Tabla 5. Propiedades térmicas del tungsteno.
Calor Específico ( J K-1 kg-1 ) 133 a 25ºC
Calor Latente de Evaporación ( J g-1 ) 4009
Calor Latente de Fusión ( J g-1 ) 192
Coeficiente de Expansión Térmica ( x10-6 K-1 ) 4,5 a 0-100ºC
Conductividad Térmica ( W m-1 K-1 ) 173 a 0-100ºC
2.- Tubo protector
Se coloca un tubo generalmente de cuarzo entre el alambre de tungsteno y el tubo que se utiliza para aislar el resto del alambre de tungsteno del plasma con la finalidad de mantener un espacio entre el alambre de tungsteno y la pared del tubo aislante el cual evita el cambio de la superficie aparente de la sonda causado por la pulverización del material conductor de la misma que se deposita sobre la superficie aislante, o el depósito del material pulverizado del electrodo usado para producir la descarga.
Y el tubo que se utilizó para aislar el resto del alambre de tungsteno del plasma fue de pirex, observar Figura 12, debido a que el tubo que se tenía era muy pequeño, se pego con un tubo de vidrio con un sello para altos vacíos. Originalmente se había diseñado la sonda con vidrio moldeado, pero presentó problemas de agrietamiento provocado por el enorme esfuerzo de tensión y compresión del exterior. Finalmente el extremo contrario a la punta de la sonda se selló con el sello para alto vacío, dejando una punta del alambre de tungsteno para aplicarle el voltaje.
Figura 12. Materiales empleados para el diseño de la sonda de Langmuir.
El plasma es una mezcla de partículas ionizadas (electrones, iones) y partículas neutras. El sensor de la sonda de Langmiur consiste en un electrodo conductor el cual está en contacto eléctrico directo con el plasma a ser medido. Cuando el electrodo de la sonda de Langmiur está
Punta de tungsteno Tubo de cuarzo Tubo de pirex Punta de tungsteno Tubo de cuarzo Tubo de pirex
a un potencial positivo, atrae electrones. La respuesta de la sonda de Langmiur (LP, “Langmuir Probe”) se obtiene adquiriendo la curva característica corriente-voltaje, en la misma forma como obtenemos I-V de un diodo característico. El análisis de la curva características I-V permite determinar las variables del plasma.
Por su valiosa experiencia y su participación en las distintas etapas del desarrollo del presente trabajo.
Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares
Mi más profundo agradecimiento por su apoyo y participación en el desarrollo del presente trabajo.
Instituto de Materiales, UNAM
Sabiendo que no existirá una forma de agradecer toda una vida de sacrificios
y esfuerzos, quiero que sientan que el objetivo logrado también es suyo y que la fuerza que me ayudó a conseguirlo fue su gran apoyo.
A mis Padres.
A todas aquellas personas que con su afecto, cariño y apoyo han sido para mi un gran impulso a seguir
RESUMEN
Con el propósito de caracterizar un plasma débilmente ionizado, de corriente directa, en una instalación para el depósito físico de vapores, se diseñó y construyó una sonda de Langmuir. Con base en un diseño experimental, por medio de la sonda de Langmuir, se midió la densidad iónica y la temperatura electrónica en distintas posiciones del reactor, las cuales se referenciaron desde el centro del magnetrón hasta la periferia, y desde una altura de 1.5 cm hasta 2.0 cm, para valores de potencia de: 8 W y 30 W y para presiones de: 0.5 Pa y 3.0 Pa en un plasma de Argón. El dominio de variación de las temperaturas electrónicas fue de 6.19 eV a 3.49 eV y la densidad iónica fue de 59.15 a 38.04 2
cm mA
.
Con base en el código de pulverización de un blanco, SRIM, se asoció al efecto de las variables del plasma con la pulverización del blanco. Se presenta la variación cualitativa de estas variables, en ese contexto se observa una tendencia en donde la pulverización aumenta a medida que aumenta la energía iónica.