[論文レビュー] Plasma Generation by Household Microwave Oven for Surface Modification and Other Emerging Applications

Benjamin Barnes, Habilou Ouro-Koura+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

Plasma Applications and Diagnostics参考文献 55被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、家庭用マイクロ波オーブンを用いた低コストなプラズマ生成装置を提案する。真空フラスコを改造してマイクロ波エネルギーを閉じ込め・強化することで、空気中で大気圧下にプラズマを生成する。この方法により、PDMS や ZnO といった材料の表面改質が効果的に行える。表面エネルギー、電気的導電性、接着強度が顕著に向上し、研究・教育分野における高価なプラズマ装置の代替手段として利用可能になる。

ABSTRACT

In this paper we describe a simple and inexpensive method to generate plasma using a kitchen microwave. The microwave-generated plasma is characterized by spectroscopic analysis and compared with the absorption spectra of a gas discharge tube. A Paschen-like curve is observed leading to a hypothesis of the microwave plasma generation mechanism in air. We have also demonstrated that this microwave generated air plasma can be used in a multitude of applications such as: a) surface modification of a substrate to change its wettability; b) surface modification to change electrical/optical properties of a substrate; and c) enhancement of adhesive forces for improved bonding of polymeric microfluidic molds, such as bonding polydimethylsiloxane (PDMS) chips to glass covers. These simple techniques of plasma generation and subsequent surface treatment and modification may lead to new opportunities to conduct research not only in advanced labs, but also in undergraduate and even high school research labs.

研究の動機と目的

• 家庭用の一般的な機器を用いて、研究室環境で安価かつ容易にプラズマを生成する方法の開発。
• 大学・高校の研究室で利用が制限される、従来のプラズマシステムの高コスト・高複雑性の問題を解決すること。
• マイクロ波誘起プラズマが高分子および半導体の表面改質に実用的応用が可能であることを示すこと。
• 特別な設備を用いずに、PDMS とガラスの間で不可逆的接着を実現し、マイクロフルイディクスデバイスの作製を可能とすること。
• 高度材料研究分野における高価なプラズマエッチング・処理装置の安価な代替手段を提供すること。

提案手法

• 家庭用マイクロ波オーブンを改造し、金属メッシュまたは金属線を備えた改造済み真空フラスコを内蔵することで、マイクロ波エネルギーを閉じ込め・強化し、プラズマを生成する。
• 大気圧下の空気中でマイクロ波誘起プラズマを発生させ、電子密度およびイオン化状態を光学発光分光法により確認した。
• プラズマ点火に必要な閾値電圧と圧力依存性を示すパシュエン・ライク曲線が観察され、気体放電破壊に類似したメカニズムであることが示唆された。
• プラズマ処理を、例えば PDMS や ZnO、グラフェン酸化物といった基板に、所定の時間（例：3 秒）の間、適用し、表面エネルギーおよび電気的性質の変化を評価した。
• 水の接触角を測定することで、プラズマ照射前後における表面の親水性（濡れ性）を定量的に評価した。
• 四端子プローブ法を用いて、プラズマ照射前後におけるグラフェン酸化物薄膜の電気抵抗を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 家庭用マイクロ波オーブンを用いて、大気圧下の空気中で安定的かつ再現性のあるプラズマを生成できるか？
• RQ2 プラズマ照射時間の延長が、PDMS 基板の濡れ性および表面エネルギーにどのように影響を与えるか？
• RQ3 マイクロ波誘起プラズマが、ZnO およびグラフェン酸化物薄膜の光学的・電気的性質をどの程度変化させ得るか？
• RQ4 この低コストプラズマシステムは、マイクロフルイディクス応用に適した、PDMS とガラスの間で不可逆的接着を達成できるか？
• RQ5 マイクロ波誘起プラズマ点火の背後にある物理的メカニズムは何か？また、従来のパシュエン破壊と比較してどのように異なるか？

主な発見

• 家庭用マイクロ波オーブンと改造済み真空フラスコを用いて、安定的かつ可視化可能なプラズマを空気中で成功裏に生成した。光学発光分光法により、N₂ や O₂ のイオン化種が確認された。
• プラズマ処理により、PDMS の水接触角は約 100° から約 50° に低下し、表面エネルギーおよび濡れ性が顕著に向上した。
• 3 秒間のプラズマ処理後、グラフェン酸化物薄膜の電気抵抗は 10.5 MΩcm⁻² から 0.1 MΩcm⁻² に低下し、99.0% の減少を示した。これは、導電性グラフェンへの効果的な還元を示している。
• プラズマ処理を施した後、PDMS とガラスの間で不可逆的接着が達成され、密封されたマイクロフルイディクスチャネルの作製が可能になった。
• パシュエン・ライク曲線が観察され、マイクロ波プラズマ点火が電界強度および気体圧力に依存する破壊メカニズムに類似していることが示唆された。これは従来の気体放電破壊と類似している。
• FTIR 分析により、プラズマ処理後の PDMS 表面に酸化およびシリロール（Si–OH）基が生成されたことが確認され、ガラスへの接着性向上が裏付けられた。