Belajar Plasma (1): Perbedaan antara Plasma, Discharge dan Sheath

Bismillah...

Gambar 1. Perbedaan antara (a) plasma dan (b) discharge [1].

Berikut ini adalah penjelasan singkat perbedaan antara plasma, discharge dan sheath yang dirujuk dari buku Principles of Plasma Discharges and Materials Processing karya Michael A. Lieberman; Allan J. Lichtenberg.

Plasma

Plasma merupakan kumpulan dari partikel bermuatan yang bergerak bebas dengan acak sehingga, secara rata-rata, memiliki muatan listrik yang netral seperti terlihat Gambar 1(a). Secara makroskopis, plasma dapat didefinisikan sebagai suatu zat fisis keempat setelah zat padat, zat cair dan gas, sebagaimana yang kita ketahui pada pemanasan zat padat menjadi cair, pemanasan zat cair menjadi gas dan pemanasan gas menjadi plasma, seperti terlihat pada Gambar 2. Selain itu, plasma secara elektrik bersifat konduktor dan mengandung free charge carrier.

Gambar 2. Plasma sebagai keadaan fisis ke empat dari wujud zat [2].

Discharge

Contoh discharge sederhana dapat dilihat pada gambar 1(b). Gas antara dua elektroda yang diberi tegangan dan berada pada tekanan rendah akan menghasilkan plasma. Akan tetapi plasma yang dihasilkan tidak mengisi ruangan antara kedua elektroda, atau hanya sebagian saja. Nah, yang disebut discharge adalah keseluruhannya, plasma dan gas netral yang tidak terionisasi (atau disebut juga sheath, yang akan dijelaskan kemudian)

Plasma yang dihasilkan tsb disebut weakly ionized plasma, dimana kerapatan plasma hanya sebagian dari kerapatan gas netral. Kenapa weakly ionized plasma? Karena discharge ini menggunakan pemicu elektrik yang umumnya hanya memanaskan elektron pada gas, sementara partikel netral yang bermassa lebih berat tidak bisa ditransfer energinya oleh elektron. Sehingga hanya sebagian partikel gas yang berubah wujud menjadi plasma. 

Berikut adalah karakteristik dari weakly ionized plasma discharge:
(1) plasma dibangkitkan secara elektrik
(2) tumbukan partikel bermuatan dengan molekul gas netral merupakan hal yang penting
(3) boundary atau pembatas plasma merupakan parameter yang penting
(4) ionisasi partikel netral dalam keadaan steady state
(5) elektron dan ion dalam keadaan tidak thermal equilibrium, Telektron >> Tion

Sheath

Sheath merupakan area yang bermuatan positif pada sebuah discharge, seperti terlihat pada Gambar 3. Secara ringkas, sheath terbentuk karena pergerakan elektron yang sangat cepat dan akan menghilang dengan cepat pula pada bagian dinding elektrode. Electron thermal velocity (eTe/m)^1/2 memiliki kecepatan paling tidak 100 kali lebih cepat dari ion thermal velocity (eTi/M)^1/2 karena massanya yang ringan, m/M << 1, dan suhunya yang lebih tinggi, Te >~ Ti. 

Sehingga akan menciptakan lapisan tipis (s << l) yang bermuatan positif pada dinding, dimana nion >> nelektron sehingga muatan p = e(nion -nelektron) bernilai positif. Panjang daerah sheath ini bisa dihitung dengan menggunakan rumus Debye length.
Konsekuensi dari profil potential yang positif yaitu ion yang bergerak dari plasma ke sheath akan dipercepat, sebaliknya pergerakan elektron akan diperlambat atau bahkan ditolak dan kembali lagi ke plasma. Sehingga pada daerah sheath ini akan terjadi ion bombarding. Hal ini nantinya akan sangat bermanfaat untuk aplikasi material proses, seperti plasma reaktif ion etching menggunakan RIE, dimana substrate yang akan di-etching sebenarnya tidak tersentuh plasma (tidak di dalam daerah plasma), melainkan dalam daerah sheath, dimana ion bombardment akan menumbuk substrate dan akhirnya terjadilah proses etching. 

Gambar 3. Perbedaan plasma dan sheath [1].

Referensi:
[1] M. A. Lieberman and A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. A Wiley-Interscience Publication, 2005.
[2] http://www.plasmas.org/E-4phases2.jpg
[3] C. Tendero, et al.,"Atmospheric pressure plasmas: A review", Spec. Acta Part B: Atomic Spec., 2005.

Semoga bermanfaat,

21 Rajab 1436