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OLMAT: Una nueva instalación par el estudio de materiales sometidos a altas cargas térmicas por plasma y láser en el Laboratorio de Fusión del Ciemat.

OLMAT: Una nueva instalación par el estudio de materiales sometidos a altas cargas térmicas por plasma y láser en el Laboratorio de Fusión del Ciemat.

Author: F. Tabarés
Plasma and wall interaction group-CIEMAT

El desarrollo comercial de la energía de fusión pasa por la construcción de un reactor de  demostración (DEMO) capaz de operar el plasma de fusión en condiciones de ignición durante largos periodos de tiempo de una forma segura y eficiente. Uno de los principales escollos encontrados en le camino hacia el desarrollo de dicho reactor es el comportamiento de los materiales sólidos bajo las condiciones extremas de flujo de partículas y energía incidentes sobre la zona de la cámara de vacío a la que se desvía el plasma, con objeto de evitar la interacción de éste con el resto de la pared interna y los sistemas que ésta  soporta. Esta zona se denomina divertor y ejerce un papel fundamental en el diseño del reactor, pues es la responsable de extraer las partículas de helio producidas como ceniza de la fusión nuclear del deuterio con el tritio, y que escapan del plasma tras calentarlo suficientemente para mantenerlo a temperaturas de ignición, unos 100 millones de grados. Los flujos de partículas generados en dicha zona son del orden de 1024/m2.s y el flujo potencia asociada  puede llegar hasta unos 20 MW/m2.

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Además de esto, el plasma puede producir fenómenos de expulsión pulsada de partículas y calor en forma de los denominados ELMs (Edge Localized Modes) debido a la altísima presión que ejerce el plasma sobre su superficie externa en los plasmas altamente confinados magnéticamente. Aunque el material elegido, el wolframio,  para la siguiente máquina  de experimentación de plasmas de fusión, el dispositivo ITER, presenta un comportamiento que podría ser aceptable , con tasas de sputtering muy pequeñas y sin el problema de la retención del tritio radioactivo que presenta el carbono en forma de CFC, tanto las cargas térmicas esperadas como la  baja tasa de neutrones no garantizan que esta solución sea aplicable a un auténtico reactor. Todo esto ha originado una búsqueda intensiva de nuevas alternativas al diseño del divertor de ITER en al comunidad internacional de fusión.

Fig. 1 (arriba) : Detalle de la estructura de los módulos del target de W para  el divertor de ITER con refrigeración. Fig. 2. Esquema del divertor de DEMO con (arriba) y sin (abajo) “dome”  

Los metales líquidos ha surgido como una posible opción para afrontar el problema. Las ventajas  frente a un material sólido son evidentes: Ausencia de estructura  microscópica susceptible de destrucción, posibilidad de reemplazo sin tener que desmontar el reactor, posibilidad de extracción del flujo térmico y de partículas por simple circulación, etc.…Entre sus posibles desventajas aparece la complejidad de diseño añadida por sus características de movilidad y alta temperatura así como su interacción con los altos campos magnéticos presentes en el dispositivo que origina intensas fuerzas de Lorentz dado su carácter de conductor eléctrico. Estas fuerzas  puede dar lugar a la expulsión del metal de su ubicación en el divertor  en forma de chorros o gotas que, si entran en el plasma, originarían la muerte del mismo en forma de disrupciones, un fenómeno letal para la integridad física de la cámara de vacío y todos sus componentes. Este último aspecto ha motivado el desarrollo de conceptos que usan la alta tensión superficial característica de estos materiales para su soporte físico. El concepto, denominado Capillary Porous System (CPS), usa mallas de metal de estructura porosa, en el rango de decenas de micras, para generar fuerzas de sujeción muy superiores a las esperadas en el reactor, incluyendo la propia gravedad, y hasta la fecha ha dado excelentes resultados  en las pruebas realizadas en maquinas de fusión.

Entre los elementos metálicos con temperatura de fusión en un rango asequible y que no sufran activación por los neutrones de fusión, se encuentran el estaño, el litio y el galio. Los problemas de corrosión entre el metal liquido y los elementos en contacto con él son un elemento mas a considerar cuando se trata de seleccionar el mejor candidato, así como su comportamiento frente al hidrogeno y sus isótopos (retención del tritio) y su potencial contaminación del plasma, directamente relacionado con su eficiencia de sputtering y su numero atómico. En la actualidad solo se consideran como candidatos al litio, al estaño y a las aleaciones entre ambos ricas en estaño, hasta un 30% de litio. Sin embargo queda aun por probar que existe un diseño  compatible con todas las restricciones exigidas para el divertor basado en el uso de alguno de estos elementos. Todo esto ha motivado el apoyo del Consorcio EuroFusión, en la Unión Europea, y de los gobiernos de la mayoría de los miembros del proyecto ITER (China, Rusia Japón,  y Estados Unidos) a la investigación en este campo. En definitiva se trata, entre otros aspectos, de demostrar la capacidad superior de las alternativas basadas en metal liquido a las actuales (ITER) respecto a su tolerancia a las condiciones extremas del divertor de un reactor de fusión.

Existen diversos dispositivos en el mundo especialmente dedicados al tipo de pruebas requeridas. Algunos se basan en el uso de plasmas  de alta densidad y baja temperatura (Linear Plasma Devices),  tales como Magnum, Pisces, PILOT, PSI., Nagdis, etc.. que emulan los plasmas divertor del reactor, otros en cañones de electrones  de alta potencia (Judith) y otros en “cañones de plasma” o Plasma Guns, que trabajan en modo pulsado (QSPAs). También se han usado láseres de alta potencia  con objeto de simular  el efecto que los ELMs producirán en el material, aunque solo sobre elementos sólidos .

En este contexto es en el que ha surgido la propuesta OLMAT (Optimization of Liquid Metal Targets)  del Laboratorio Nacional de Fusion del CIEMAT. La propuesta se generó como respuesta a la convocatoria de actividades financiables dentro del programa de Power Exhaust Experimenst de EuroFusion en 2016 y esta actualmente parcialmente financiada dentro del Programa de Trabajo de Divertor Tokamak Divertor (DTT) bajo el epígrafe de Liquid Metal Divertor (LMD). La implicación de la Agencia Estatal de Investigación, a través del Plan Nacional de I+D, Retos, ha sido requerida muy recientemente.

El concepto en que se basa del Proyecto es básicamente el uso de los Haces de Neutros (NBI) usados para el calentamiento del plasma en TJ-II para la irradiación  de materiales a potencias relevantes  para el divertor de  DEMO, de hasta 20 MW/m2. En la actualidad se dispone  dos sistemas NBI , capaces de inyectar en el plasma hasta 700KW cada uno. El haz, generado por extracción de iones de hidrogeno de un plasma  creado al efecto y neutralizados posteriormente, presenta una distribución gausiana de potencia con una anchura a mitad de altura (FWHM) de unos 15 cms en la posición del plasma, originando un área circular de unos 25 cm de diámetro de potencias  mayores de 10MW/m2 limitada geométricamente por aperturas insertadas ad hoc. En su operación rutinaria con plasma s TJ-II, los haces se generan cada 10 minutos aproximadamente, pero si la fuente de alimentación de las bobinas del TJ-II, que comparten su uso, no se requiere,  la frecuencia de repetición de “disparos “ NBI puede aumentarse hasta uno pulso cada  dos minutos. De esta manera los materiales pueden ser expuestos a las cargas térmicas producidas por el NBI cientos de veces cada día de operación. En estas circunstancias es de esperar que la fatiga térmico-mecánica del material pueda ser probada de una forma mucho mas rápida que la de cualquier dispositivo actual, si bien la duración del pulso NBI esta limitada a unos 150-200 ms. La supresión del neutralizador, obligatorio en la producción de un haz solo de neutros  en presencia de los campos magnéticos de TJ-II, puede incrementar la potencia real incidente sobre el material en un 35%, aunque su efecto sobre la creación de un plasma altamente radiativo en la superficie del material está por explorar.

 

 

 

 

 

Figure 3:  Representación por  CAD de un blanco- Calorímetro de CFC y NBI. Figure4: Imagen de IR del blanco-Calorímetro irradiado por NBI  

Fig. 5. Valores de potencia incidente en el blanco usado como calorímetro en función de los parámetros del haz.

Con objeto de estudiar el efecto de las cargas pulsadas generadas por los ELMs sobre un material irradiado a  alta potencia por el plasma, se pretende añadir un laser de alta potencia, tipo fibra, a la instalación. Dicho laser generará pulsos de 1 a 10 ms de duración con energías de 100 J. En enfoque del laser sobre la muestra puede producir densidades de energía de 1-10 MJ/m2 a frecuencias de hasta 10 Hz, y algo menores a mayor frecuencia de repetición. En estas condiciones, cualquier superficie solida es sometida a ablación o al menos fusión, con un cambio significativo de sus propiedades  termo-mecánicas. Sin embargo, es de esperar que el efecto protector del metal liquido sobre la superficie, debido a su entalpia de evaporación y la creación de un plasma local que disipa energía por radiación intensa (vapor shielding) pueda aliviar fuertemente estos efectos , disminuyendo la energía efectiva que realmente llega a la superficie metálica. Lógicamente , existe un intercambio entre densidad  de potencia local y área procesada, regulable con el sistema de enfoque del laser.

La instalación OLMAT se ha diseñado de forma que su operación no interfiera con la del TJ-II. Por ello, a pesar de usar los sistemas de alimentación de las bobinas del TJ-II , la muestra a tratar será colocada en una cámara supletoria, situada entre el NBI y la entrada a la cámara  de vacío del stellarator. La muestra, un sistema de malla porosa con metal liquido en su interior con un diámetro de unos 10 cm, se sujeta a un disco de acero inoxidable, de unos 25 cm de diámetro, y se expone al NBI/laser a una temperatura programada durante un numero de pulsos determinado. Se dispone de una recámara, aislada por una válvula de vacío y con una puerta de acceso de 25 cm de diámetro, para la preparación y examen de las muestras. El porta-muestras va montado sobre un brazo  con un pasamuros con la longitud adecuada para llevar la muestra a su lugar de exposición, y permite la rotación de la misma de forma que se pueda variar el ángulo  de incidencia del NBI sobre la muestra en un amplio rango. En al figura 6 se muestra el conjunto de la instalación con el porta-muestras en su posición retraída.

Figura 6. La Instalación OLMAT.

Aunque los estudios para los que se ha pensado OLMAT  pertenecen al ámbito de la tecnología de reactor  fusión, como se mencionó antes, se prevé que funcione como una instalación de acceso abierto  a la comunidad Española e Internacional. El tratamiento de superficies por altas cargas térmicas, ya sea plasma , laser o cañón  electrones, se utiliza para funcionalización de la superficies , ya sea aumentando su dureza, sus propiedades tribológicas, aumentando la adhesión de capas depositadas, desarrollando estructuras superficiales, etc…Por ello cabe esperar que la instalación despierte interés en los sectores industriales en el campo, permitiendo el tratamiento de superficies grandes y posibilitando tratamientos microscópicos por láser sobre las mismas.

Report

ALD: The groundbreaking technology behind the last tech ‘NOBEL’

ALD: The groundbreaking technology behind the last tech ‘NOBEL’

David Ares, María Rízquez, Mato Knez and Mercedes Vila Juárez at CTECHnano facilities.

Finnish materials physicist Tuomo Suntola, who developed Atomic Layer Deposition (ALD) technology, has won Finland’s take on the Nobel science prizes.

ALD is a thin-film deposition technique with atomic scale precision growth. The process is based on the sequential release of precursor (chemical reactants) gas pulses to deposit a film in a layer-by-layer fashion. A first precursor is introduced into the process chamber producing a monolayer on the substrate surface. Afterwards, the chamber is purged with an inert carrier gas to remove unreacted precursor and reaction by-products, and a second precursor is pulsed into the chamber reacting with the first precursor to produce a monolayer of the desired film on the substrate surface. This process is based on two fundamental mechanisms: chemisorption saturation process and sequential surface chemical reaction.

ALD coatings provide excellent adhesion and low stress due to the chemisorption of precursors with the surface. The main advantages of ALD are the deposition of perfect films (pinhole-free), excellent repeatability, digital control of sandwiches, heterostructures, nanolaminates, mixed oxides, graded index layers, and doping. Furthermore, perfect 3D conformal coatings are developed with 100% step coverage: uniform coatings on flat, inside porous, and around particle samples.

ALD attracted semiconductor industries for making High-K dielectric materials based on the important advances that Tuomo Suntola proposed years ago, and it has been produced at an industrial level since the 70´s mainly in the semiconductor, LED´s and sensor industries. But, due to the advances in tool design and recipe development, the importance of ALD is now rapidly expanding for producing innovative nanoscale materials. Nowadays, new ALD applications are flourishing and they will be shortly part of our most common daily basis activities. Recent developments in nanotechnology and materials processing have brought the competitor thin film deposition techniques at their performance limits while new possibilities raised solely for ALD.

ALD novel potential applications are highly multidisciplinary.  It has an emerging potential on photovoltaic cells, flexible electronics, enhanced performance glass, paper and textiles, decorative coatings, new generation transistors and advanced energy materials technology.

Based on the idea of creating new materials by ALD for several applications other than microelectronics, CTECHnano was created. CTECHnano is SME located in San Sebastian-SPAIN, which provides thin-film coating solutions. This spin-off arises from an initiative of the leader of the nanoGUNE´s nanomaterials group, Professor Mato Knez, initial foundation of BIC Gipuzkoa and with the support of the nanoGUNE´s director, José María Pitarke. In addition to its business proposal, the innovation of CTECHnano also lies in the definition of its shareholding, which involve two Basque industrial companies (DIECAROS and CADINOX) and a public fund (BasqueFondo).

Experts in ALD technology, CTECHnano´s portfolio offers different products:
Development of innovative deposition processes, design and manufacturing of coating systems oriented to R&D and Industry, including industrial implementation viability, and standard coating services. Despite being still an spin-off, CTECHnano is already a reference in ALD all over the world. They have sold their machines in USA, China, Europe and they just started collaboration agreements with India and Japon. Moreover, it is the only Spanish company dedicated to the nanoscale coatings activity through ALD. They work for high European entities such as OSRAM Optoelectronics or the FNMT, but its scope of action is not only limited to the industry. There is also a close connection with the academic world, both research centres and universities. However, in this context, the ALD technique is not well established either. In fact, according to the CEO of the spin-off, Mercedes Vila Juárez, “ALD is not very exploited compared to other technologies such as PVD. And that benefits us” emphasizes. Besides, the variety of functionalities that ALD technology implies, allows it to be applied to completely different products, surfaces and sectors.

CTECHnano’s team believes that ALD will be part of the next disruptive innovations on technology and they want to encourage professionals working on material sciences and engineering, to include this innovative way of depositing materials in their research and development processes.

Nanotechnology for Microelectronics and Photonics

Nanotechnology for Microelectronics and Photonics

Prof. José M. Albella, Senior Scientist
jmalbella@icmm.csic.es
Institute of Materials Science (ICMM-CSIC)
Madrid (Spain)

The second edition of the book of Prof’s R. Martín-Palma and J.M. Martínez-Duart occupies a prominent position in the rather scarce bibliography of academic texts devoted to the description of the non-ending list of novel low-dimensional semiconductor structures.  This edition contains new sections to keep up with the latest developments in this rapidly evolving field, including new topics, such as quantization of plasma oscillations (i.e. plasmonics, spintronic, photonic crystals, and several nanostructured materials such as graphene, silicene, carbon nanotubes and sensors).  Though these materials are well consolidated in the current technology, there are few textbooks that make a detailed reference to them.

As illustrated in the book, when the dimensions of solids are reduced to the size of the characteristic lengths of electrons in the material (De Broglie wavelength, coherence length, localization length, etc.), new physical properties, owing to quantum effects, become apparent.  These properties give rise to a long chain of technological devices and inventions that outperform the existing ones.   The advantages of these new materials and devices are well recognised:  depending on their application they are generally smaller in size, with higher speed response, high frequency of operation and lower dissipation power and cost.

Understanding all these effects require a strong basis of semiconductor physics, among them the dynamics of electrons in their energy bands, electron diffusion and transport, excitation, resonant processes, etc., all these phenomena under the umbrella of quantum physics.  The long experience of the authors in teaching university courses has led them to make easy what is conceptually complex in a comprehensive manner, giving in every chapter an introductory view of the main concepts, emphasizing the implications of the novel structures in the technology. Moreover, due to the large variety of phenomena and structures, they make a continuous cross reference in the text to other chapters to facilitate reading.

The book is mainly addressed to final-year undergraduates as well as beginners graduate students in physics, materials science and engineering (electrical, materials, etc.).  Alternatively, the book can also be very helpful to scientists and professors as a consulting treaty on the fundamental aspects of nanoscience and nanotechnology.   Actually, most of the chapters include a box for colloquial comments on other marginal concepts, such as the device fabrication techniques (vacuum, plasmas, film deposition, etc.), and more particularly on the main milestones (theories and experiments) that have led to the wide variety of electronic and photonic devices described in the book.  Most notably, this new edition includes a large number of problems of which more than a half are accompanied by their full solutions, while in others hints are provided.

Gas-Phase Synthesis of Nanoparticles

Gas-Phase Synthesis of Nanoparticles

Author:  Yves Huttel
Wiley. June, 2017

Description:
The first overview of this topic begins with some historical aspects and a survey of the principles of the gas aggregation method. The second part covers modifications of this method resulting in different specialized techniques…

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Focalizado para todos los públicos, con una extensión aproximada máxima de 1500 palabras. Puede ser un resumen de tu investigación, una noticia candente en el panorama internacional, un resumen sobre un experimento novedoso o sobre un premio Nobel…Atención: cuentos, historias de ficción, poemas… también son bienvenidos.

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Every 4 months at least one will be selected, and the author rewarded with a prize of 50€.
Contributions preferably in Spanish, although in English are also accepted.

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