電漿有何應用?

利用電漿產生有助燃燒的活性粒子如氧原子(O)、氫原子(H)、氫氧基(OH)及臭氧(O₃)等， 以開發更有效率的飛機引擎、內燃機引擎與鍋爐燃燒器等能源領域的應用。

Staraikovskiy et al., Progress in Energy and Combustion Science 39 (2013), 61

電漿所產生的粒子與環境，具有消毒、刺激細胞增生與在不傷害自體細胞的條件下有助於傷口的癒合， 故可有效減少病患感染的風險與劇痛的不適，可應用於傷口不易癒合(例如糖尿病)的病患。

Cheng et al., Scientific Reports 8 (2018), 12214

經由電漿處理過的癌細胞所留下的生物標記有助於免疫系統發現並消滅癌細胞的免疫療法相關研究正積極發展， 並針對許多不同部位的癌細胞探討對應的機制與療效。

Khalili et al., Journal of Physics D-Applied Physics 52 (2019), 423001

最典型的工業應用為與各類3C產品相關的半導體製造業，例如台積電晶圓製造中有許多使用電漿的鍍膜、清洗、蝕刻製程，或與半導體相關設備廠商(例如美商應材、日商東京電子與美商科磊等)皆生產與電漿製程相關的各類機台。

https://ctee.com.tw/amp/news/tech/263516.html
https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/memory/applied-materials-new-memory-machines

電漿處理過的植物種子可減少病蟲害的發生， 並可有效縮短種子發芽過程，達到幫助農產品產量的效果，為近年另一新興電漿技術的應用。

Bourke et al., Trends in Biotechnology 36 (2018), 615

上述各種電漿應用的核心皆為電漿源技術。雖然電漿可操作於低溫非熱平衡狀態，卻也可能因不正確的操作條件而造成損害，例如在傷口癒合的應用中破壞DNA的結構而造成細胞的死亡。因此，如何精準有效地掌握電漿狀態，為各種電漿技術的關鍵，也是本實驗室技術發展的目標。 事實上，只要在適當的氣流環境提供足夠的電場條件即可點燃電漿。但電漿的快速動態行為與複雜的化學機制限制了電漿技術的發展。儘管電漿的應用令人嚮往，但控制電漿穩定狀態與了解不同應用的物理/化學機制的過程需要投入大量的時間進行實驗、模擬與驗證探索許多未知領域的工程技術。 本實驗室的主要任務即開發並掌握穩定電漿源技術，以符合不同應用，期許技術進而發展成對應的民生商品。

要了解電漿內部複雜的物理動態與化學反應機制，需要進行各種實驗量測、數值模擬與嚴謹的驗證過程。 通過拍照與實驗量測電漿放電時電壓電流可了解電漿放電模式與強度。 利用發射光譜、吸收光譜與雷射激發螢光光譜可量測特定活性粒子的濃度而了解電漿狀態。 然而，由於電漿內部不僅有快速的電漿物理動態與複雜的電漿化學機制，也受到背景氣流場與溫度的分布而影響電漿狀態，為一多變且非線性系統。 儘管量測可了解特定操作條件下電漿狀態或特定粒子的濃度，卻無法有效率的理解各種操作參數(如電壓、頻率、間隙、介電質或氣流等)對電漿狀態的影響與關聯，也因此而侷限各種應用的發展。 因此可靠的數值模型及扮演理解電漿行為不可或缺的要角。

(於中正大學/交通大學進行電漿實驗量測)

電漿模擬考慮電漿物理(電場、介電質與電流等)、電漿化學(不同物種的化學反應機制)、氣流場(對流傳輸行為)與溫度場，求解物種/氣流質量與動量守恆方程式，電子與氣流能量守恆方程式與Poisson 方程式求解包含各種粒子密度、熱流場分布、電子溫度與電場分布，可了解電漿操作參數對電漿行為的影響。因此，是發展電漿技術在各種不同領域應用的利器。

Lin et al., Computer Physics Communications 183 (2012), 2550

然而電漿模擬需考慮多種粒子所造成的化學反應過程(電漿化學模型)，故需要龐大的計算資源與計算時間完成模擬，也因此增加發展電漿模擬的困難度，此外，複雜的電漿物理/電漿化學，再加上流場與濃度場等不同領域的背景知識，也增添運用電漿模擬的門檻。 本實驗室擁有在Linux平台使用 C/C++ 自行開發平行化電漿流體模型(plasma fluid model)模擬多種不同電漿行為的豐富經驗，並致力投入資源開發各種電信與粒子濃度測量技術，以期充分掌握電漿狀態與各種內部動態行為而有足夠能力設計符合不同應用的電漿源技術與操作條件。因此，加入實驗室的成員依照個人興趣可參與不同的電漿實驗量測、電漿模擬與熱流場模擬分析電漿內部各種複雜的行為。成員不但有機會熟悉熱流場原理與分析，更有機會參與電漿實驗與高效能平行化模擬模型以了解電漿放電行為。