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等离子体化学与

发布时间:2024-03-29 16:52:41 影响了:

等离子体化学与篇一:等离子体

等离子体(plasma)

1.定义

等离子体(plasma)又叫做电浆,是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质,尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体,其运动主要受电磁力支配,并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中,常被视为是除去固、液、气外,物质存在的第四态。

等离子体——物质的第四态

等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的,1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯(Tonks)首次将“等离子体”(plasma)一词引入物理学,用来描述气体放电管里的物质形态。

等离子体可分为两种:高温和低温等离子体。等离子体温度分别用电子温度和离子温度表示,两者相等称为高温等离子体;不相等则称低温等离子体。低温等离子体广泛运用于多种生产领域。例如:等离子电视,

婴儿尿布表面防水涂层,

增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在电脑芯片中的时刻运用,让网络时代成为现实。

等离子体是一种很好的导电体,利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。

等离子体造就的宇宙和自然奇观:

星云太阳表面

极光闪电

利用等离子体的化学活性:等离子体化学活性很高,能够在温和的条件下使很多活化能较高的反应顺利进行。最重要的反应是含卤素的等离子体对于硅的刻蚀,这是制备各种微电子器件的关键步骤。等离子体还广泛应用于各种薄膜的沉积,包括硅、金刚石、各种氮化物、碳化物以及金属。在污染物降解、杀菌、合成气重整、聚合反应等领域等离子体化学都有独特的优势。

由等离子体增强化学气相沉积制备的用于太阳能电池的非晶硅薄膜

由于等离子体在低温下具有高活性的特点 ,等离子体增强化学气相沉积 ( PECV D)技术可显著降低薄膜沉积的温度范围。

直流辉光放电等离子体增强化学气相沉积( dc-PECV D):这种技术 (如图 1所示 )是在两个电极之间加上一定的直流电压 ,通过电极间的辉光放电 ,产生等离子体。

图 1 dc-FECVD装置示意图

电感耦合 (即 ICP) rf-PECV D装置 (如图 3所示 )是将高频线圈放置于反应容器之外 ,利用它产生的交变磁场在反应室内感应交变的电流 ,使反应气体产生高密度等离子体。

图 2 ICP-PECVD装置示意图

微波等离子体增强化学气相沉积 ( M PECV D)这也是一种无电极等离子体技术 (如图 3所示 ) ,它使用波导或微波天线两种方式将微波能量耦合到 CV D装置中产生等离子体。

图 3 M PECVD装置示意图

(文献:低温等离子体增强化学气相沉积技术制备碳纳米管)

PCVD成膜原理及特点

PCV D是借助等离子体内的高能电子与反应气体原子、分子发生非弹性碰撞使之离解或电离 ,如图 1,从而产生大量的沉积组元 ,如原子、离子或活性基团并输送到基体表面上沉积成膜的。 在低压等离子体中 ,由于电子与其它放电粒子质量上的悬殊差异 ,加之低压等离子中电子、中性粒子的碰撞几率很小 ,外电场施加的能量主要被自由电子所吸收。因此 ,低压等离子体可看成由高能电子 ( < 20eV )、低能粒子 ( 0. 3eV )及中性气体 (约0.05eV)组成,并具有高度的热力学非平衡性。

如图 1 等离子体中的能量转移

由上可知 ,非平衡等离子体激活代替传统地加热激活是 PCV D的主要优点 ,它可使基体的沉积温度显著降低 ,以沉积 TiN 膜为例 ,等离子体的增强作用使 CV D中的高温气相反应变成低稳等离子体反应[15]。

TiCl4+ 1 /2N2= TiN+ 2Cl2 T d≥ 1000K(高温气相反应 ) ( 1)

TiCl4+ 2H2+ 1 /2N2= TiN+ 4HCl T d≥ 530K(低温等离子体反应 ) ( 2)

此外 ,由于体系能量供给方式的改变 ,也会使一些热激活下无法进行的反应在等离子体的作用下发生 ,这为拓宽 CV D技术的应用范围带来了突破 ,而从 PCVD的动力学考虑 ,其较高的沉积速率也是值得肯定的。 另外 ,能在基体的小孔沉积且具有良好的结合力、膜层性能可控等优点都使我们有理由相信 PCVD技术在工业应用上的巨大潜力。

(文献:等离子体化学气相沉积_PCVD_硬质膜成膜理论_马胜利;[15] Aha ro n Inspekto r Kor en. Surf Coa t Technol)

等离子体化学与篇二:等离子体及其物理特性

1. 等离子体及其物理特性

等离子体(又称等离子区)定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。也就是说,其中正负电荷密度相等,整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体,一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。

等离子体有一系列不同于普通气体的特性:

o (1)高度电离,是电和热的良导体,具有比普通气体大几百倍的比

热容。

o (2)带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。

o (3)宏观上是电中性的。

虽然等离子体宏观上是电中性的, 但是由于电子的热运动,等离子体局部会偏离电中性。 电荷之间的库仑相互作用,使这种偏离电中性的范围不能无限扩大, 最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度λD。 当系统尺度 L>λD时,系统呈现电中 强,当 L<λD时,系统可能出现非电中性。

2. 等离子体的主要参量

描述等离子体的一些主要参量为:

1. (l)电子温度Te0它是等离子体的一个主要参量,因为在等离子体中

电子碰撞电离是主要的,而电子碰撞电离与电子的能量有直接关

系,即与电子温度相关联。

2. (2)带电粒子密度。电子密度为ne,正离子密度为ni,在等离子体

中ne≈ni。

3. (3)轴向电场强度 EL0表征为维持等离子体的存在所需的能量。

4. (4)电子平均动能

5. (5)空间电位分布。

此外,由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力,使它们在无规则的热运动之外,能产生某些类型的集体运动,如等离子振荡,其振荡频率f,称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振荡时辐射的电磁被称为等离子体电磁辐射。

3. 稀薄气体产生的辉光放电

本实验研究的是辉光放电等离子体。

辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10一10e2Pa时,在两电极上加高电压,就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域,在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图1所示。 8个区域的名称为(1)阿斯顿区,(2)阴极辉区, (3)阴极暗区,

(4)负辉区,(5)法拉第暗区,(6)正辉区(即正辉柱),(7)阳极暗区, (8)阳极辉区。

正辉区是我们感兴趣的等离子区。其特征是:气体高度电离;电场强度很小,且沿轴向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基中上遵从麦克斯韦速度分布律。由其具体分布

可得到一个相应的温度,

即电子温度。但是,由于

电子质量小,它在跟离子

或原子作弹性碰撞时能

量损失很小,所以电子的

平均动能比其它粒 子的大得多。这是一种非平衡状

态。因此,虽然电子温度很高(约为105), 但放电

气体的整体温度并不明显升高,放电管的玻璃壁并不

软化。

4. 等离子体诊断测试等离子体的方法被称为诊断,它是等离子体物理实验的重要部分。等离子体诊断有:⑴探针法、⑵霍尔效应法、⑶微波法、⑷光谱法,等等。下面介绍第一种方法:探针法。探针法测定等离子体参量是朗缪尔提出的,又称朗缪尔探针法,分单探针法和双探针法。 单探针法

探针是封入等离子体中的一个小的金属电极(其形状可以是平板形、圆柱形、球形),其接法如图2所示。 以放电管的阳极或阴极作为参考点,改变探针电位,测出相应的探针电流,得到探针电流与其电位之间的关系,即探针伏安特性曲线,如图3所示。 对此曲线的解释为:

在AB段,探针的负电位很大,电子受负电位的拒斥, 而速度很慢的正离子被吸向探针,在探针周围形成正离子构成的空间电荷层,即所谓“正离子鞘”, 它把探针电场屏蔽起来。等离子区中的正离子只能靠热运动穿过鞘层抵达探针,形成探针电流,所以AB段为正离子流,这个电流很小。

过了B点,随着探针负电位减小,电场对电子的拒斥作用减弱,使一些快速电子能够克服电场拒斥作用,抵达探极,这些电子形成的电流抵消了部分正离于流,使探针电流逐渐下降,所以BC段为正离子流加电子流。 到了C点,电子流刚好等于正离子流,互相抵消,使探针电流为零。 此时探针,电位就是悬浮电位UF。

继续减小探极电位绝对值,到达探极电子数比正离子数多得多,探极电流转为正向,并且迅速增大,所以CD段为电子流加离子流,以电子流为主。

当探极电位Up和等离子体的空间电位Us相等时, 正离子鞘消失,全

部电子都能到达探极,这对应于曲线上的D点。此后电流达到饱和。如果Up进一步升高,探极周围的气体也被电离,使探极电流又迅速增大,甚至

烧毁探针。

由单探针法得到的伏安特性曲线,可求得等离子体的一些主要参量。 对于曲线的CD段,由于电子受到减速电位(Up-Us) 的作用,只有能

量比e(Up-Us)大的那部分电子能够到达探针。假定等离子区 内电子的

速度服从麦克斯韦分布,则减速电场中靠近探针表面处的电子密度ne,按

玻耳兹曼分布应为: (1) 式中n0

为等离子区中的电

子密度,T0为等离子区中的电子温度,k为玻耳兹曼常数。

在电子平均速度为 时,在单位时间内落到表面积为S(出自:WwW.HNNscy.Com 博 文学习 网:等离子体化学与)的探针

上的电子数为: (2)

将(1)式代人(2)式得探针上的电子电流:

(3)

其中

(4)

对(3)式取对数

其中

(5)

可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系,作半对数曲线,如图4所示,由直线部分的斜率tgφ,可决定电子温度Te

:

(6)

若取以10为底的对数,则常数11600应改为

:

(7)

(8)

式中me为电子质量。

由(4)式可得等离子区中的电子密度

:

式中I0为Up=Us式的电子电流,S为探针裸露在等离子区中的表面面积。

等离子体化学及其应用

赵化侨

中国科学技术大学应用化学系 合肥230026)

等离子体化学随当代高技术的发展应运而生,作为一个学科交叉的前沿研究领域,自兴起以来的短短20多年中,已在化学合成、新材料研制、精细化学加工、表面处理等领域开拓出一系列新技术、新工艺。同时也极大地丰富了化学的研究内容。

一 物质的第四态——等离子态

早在19世纪初,物理学家便提出:是否存在着与已知的物质“三态”有本质区别的第四态?随之进行了许多探索和研究。1835年,法拉第用低压放电管观察到气体的辉光放电现象。1879年,英国物理学家克鲁克斯在研究了放电管中“电离气体”的性质之后,第一个指出物质还存在一种第四态。1927年朗格谬在研究水银蒸气的电离状态时最先引入plasma(等离子体)这一术语。1929年汤克斯和朗格谬给等离子体赋予“电离气体”的涵义。由此可见,发现物质第四态已经有100多年了。

用实验方法测定等离子体参量的技术。诊断的方法有探针法、微波法、激光法、光谱法、光学法和粒子束法,其中光学法的原理可参见风洞测试仪器;粒子束法的应用不如前五种普遍。诊断的参量包括微观参量(如碰撞频率)和宏观参量(如密度、温度、压力等热力学参量,以及粘性、扩散、热导率和电导率等输运系数)。一般表征部分电离等离子体特性的参量主要是电子密度、电子温度和碰撞频率。电子密度和电子温度的范围不同,所用的测量方法也不同(图 1、图2)。 等离子体诊断技术是随着等离子体科学的进展而发展起来的。20世纪初,开始观测宇宙等离子体。20年代,为了研究气体放电,开创了实验室等离子体诊断。从50年代起,在受控热核反应和空间技术研究的推动下,等离子体诊断的研究进入全盛时期。下面将等离子体诊断应用的各种方法作一介绍。

探针法 将实体探针放入等离子体中以获得所需参量,是等离子体诊断的基本手段之

一。此法可以得到有关等离子体内部细致结构的信息和各种参量的分布情况。缺点是会干扰被测等离子体,例如改变流动图像,形成空间电荷包鞘,产生杂质污染等。此法应用的探针及其探测原理分述如下:

静电探针 它是一种金属电极。图 3是三种典型静电探针结构的剖面图。 通过电路(图 4将偏置电压加在探针和补偿电极(如等离子体的金属器壁或放电电极等)之间,探针就从等离子体中收集带电粒子,形成电流。用适当的仪表记录下电压和电流,便可得到探针的电流-电压特性(伏安特性)曲线(图 5)。特性曲线可以分为三个不同特点的区域:①饱和离子电流区:探针电位远低于等离子体的空间电位,探针基本上只收集正离子。②过渡区:探针电位逐渐增高,但仍低于空间电位,探针同时收集电子和正离子。当电子电流和离子电流相等时,探针总电流为零,相应的探针电位称为浮置电位。以上两个区的特性统称为"负探针特性"。③饱和电子电流区:当探针电位等于空间电位时,带电粒子完全凭借本身的热运动到达探针表面,因此探针收集的是无规电流。由于电子质量远小于离子质量,电子的无规电流远大于离子无规电流。探针电位高于空间电位时,几乎全部离子都被拒斥,探针只收集电子电流。 静电探针理论给出等离子体参量和探针特性之间的定量关系。利用静电探针可以测量等离子体中带电粒子(电子或离子)的数密度、电子温度以及空间电位等。移动探针还可以测知上述参量的分布情况。

静电探针法是I.朗缪尔等人在研究低气压气体放电时创制的,现在已在高气压、高温、有流动、有磁场等各种复杂情况中得到广泛的应用。

磁探针 它是一个探测线圈(图 6)。当其中的磁通量发生变化时,线圈中便产生感应电动势,从而给出等离子体中当地磁场的时间变化率。如在探针输出端接上积分电路,便可直接得到磁感应强度。若改变探针线圈取向可以测得磁场在不同方向上的分量。根据这些数据,还可以推算等离子体中的电流和电场分布、压力分布以及电导率等。磁探针一般只能用于探测随时间变化的等离子体。磁探针输出信号一般很弱,要避免杂散拾音,最好采取静电屏蔽措施。

电导率探针 由磁场线圈和探测线圈组成。它利用磁场和等离子体相互作用原理来确定等离子体的电导率。电导率探针有电导率计(图 7)和射频电导率探针(图8)等类型。

等离子体化学与篇三:等离子体及其技术的应用

等离子体及其技术的应用

摘 要:

随着等离子体技术的迅速发展,逐渐形成了一个新兴的等离子体化工体系。我们知道,普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上,足以造成各种化学键的断裂,或使气体分子激发电离,产生许多在通常条件下不能发生的化学反应,获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品,并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。这势必会造就很多性能优良的新物质,其也将会有广泛的应用前景。

关键词:等离子体;喷涂;焊接;尾气处理;隐身技术

Plasma and its technical application

ABSTRACT

With the rapid development of plasma technology, and gradually formed a new plasma chemical system.We know, the common chemical reaction and chemical engineering equipments only produce two thousand degrees temperature.The temperatures that in low temperature plasma electronic produced by all forms of gas discharge up to ten thousand degrees or above,more enough to fracture all sorts of the chemical bonds, or make the gas molecule ionization, produce many chemical reactions that can't happened in usual conditions , get compound or chemical products that can't achieved in usual conditions , and the products won't occur thermal decomposition.It will produce a lot of new substances that performance excellent ,and have a broad application prospect.

keywords:plasma;flame plating;soldering;tail gas treatment;invisible technology

目 录

1 等离子体????????????????

2 等离子体技术的应用????????????????2.1等离子体冶炼????????????????2.2等离子体喷涂????????????????2.3等离子体焊接????????????????3 前景????????????????

3.1环境????????????????

3.2军事????????????????

4 参考文献????????????????

1等离子体

等离子体的概念是1928年郎谬尔早采用的,更早可追溯到1879年不列颠协会的威廉.克鲁克斯。他在做气体导电试验时确认放电管中存在物质第四态(等离子体)。

所谓等离子体:是包含有自由电子、离子和中性粒子整体呈现准电中性的物质的体系。在自然界中,任何物质都会由温度的不同而呈现出固、液、气三态的转化,当气体物质继续升温,如果温度升到几万度甚至几十万度,物质就处在一个全新的状态之下。处于如此高温之下的物质,不仅分子之间和原子之间的运动非常剧烈,而且他们彼此之间已经难以束缚。原子中的电子具有相当大的动能,它摆脱了原子核对它的束缚,成为自由电子。同时原子失去电子成为带正电的离子。这样,物质就变成了一团有自由电子、离子和中性粒子组成的体系。它既不同于固体和液体,又跟普通气体的性质有本质上的区别。故它是物质的另一种全新的聚集态,即物质的第四态(等离子体)。

一般情况下,把等离子体分为低温等离子体和高温等离子体。通常把电离度小于0.1%的气体称为弱电离气体,把此气体电离后的物质也叫低温等离子体。把电离度大于0.1%的气体称为完全电离气体,把此气体电离后的物质物质叫高温等离子体。

低温等离子体中电子和分子或原子类粒子具有不同的温度,其中电子温度可达10000K以上,而其分子和中性类粒子的温度可低至300K-----500K,从而使得整体温度较低,故称为低温等离子体。

2等离子体技术的应用

2.1 等离子体冶炼

冶炼普通方法难于冶炼的材料,例如高熔点的锆(Zr)、钛(Ti)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属;还用于简化工艺过程,例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别等离子体获得Zr、Mo、Ta和Ti;用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末,例如碳化钨-钴、Mo-Co等粉末等离子体冶炼其产品成分及微结构的一致性好。

2.2 等离子体喷涂

为了使许多设备的部件能耐磨耐腐蚀、抗高温,需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化,并喷涂到部件上,使之迅速冷却、固化,形成接近网状结构的表层,大大提高喷涂质量。近期深圳市研创精密设备有限公司推出了等离子体表面处理机,它由等离子发生器,气体输送管路及等离子喷头等部分组成,等离子发生器产生高压高频能量在喷嘴钢管中被激活和被控制的辉光放电中产生低温等离子体,等离子体中粒子的能量一般约为几个至几十电子伏特,大于聚合物材料的结合键能,完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键;但远低于高能放射性射线,只涉及材料表面,不影响基体的性能。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中,电子具有较高的能量,可以断裂材料表面分子的化学键,提高粒子的化学反应活性(大于热等离子体),而中性粒子的温度接近室温,这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件。通过低温等离子体表面处理,材料面发生多种的物理、化学变化。表面得到了清洁,去除了碳化氢类污物,如油脂,辅助添加剂等,或产生刻蚀而粗糙,或形成致密的交联层,或引入含氧极性基团(羟基、羧基),这些基因对各类涂敷材料具有促进其粘合的作用,在粘合和油漆应用时得到了优化。在同样效果下,应用等离子体处理表面可以得到非常薄的高张力涂层表面,有利于粘结、涂覆和印刷。不需其他机器、化学处理等强烈作用成份来增加粘合性。

2.3 等离子体焊接

可用以焊接钢、铝、铜、钛等及其合金,其特点是焊缝平整,可以再加工没有氧化物杂质,使焊接速度加快。也用于切割钢、铝及其合金。等离子粉末堆焊是以等离子弧作为热源,应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固,形成一层高性能的合金层,从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺,由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好,熔深可控性强,通过调节相关的堆焊参数,可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。等离子粉末堆焊后基体材料和堆焊材料之间形成融合界面,结合强度高;堆焊层组织致密,耐蚀及耐磨性好;基体材料与堆焊材料的稀释减少,材料特性变化小;利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性,特别是

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