等离子体化学的基本原理及应用

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1、等离子体化学的基本原理及应用等离子体化学是20世纪六十年代发展起来的一门新兴交叉科学.经过40多年的研究发展,已经广泛地引用于化工,冶金,机械,纺织,电子,能源,半导体,医药等不同领域.本文对等离子体化学在材料,电子,光学,医药,化学合成,环境保护几个方面的一些应用进行综述.[1-2]1理论概述[3]对常温常压条件下的气体通过高温加速电子加速离子给物质以能量,物质被解离成阴,阳离子的状态,由于整个体系阴,阳离子总电荷相等,故称为等离子体.而从通常的能量排布:气体>液体>固体的角度来说,等离子的能量比气体更高,能表现出一般气体所不具有的特

2、性,所以也被称为物质的第四态.当气体电离生成电子正离子一般在段时间内发生结合,回到中性分子状态,这个过程产生的电子,离子的一部分能量以电磁波等不同形式消耗,在分子离解时常生成自由基,生成的电子结合中性原子,分子形成负离子.因此,整个等离子体是电子正负离子激发态原子,原子以及自由基的混合状态.因为各种化学反应都是在高激发态下进行的,与经典的化学反应完全不同.这样使等离子体的原子或分子的本性通常都发生改变,即使是较稳定的惰性气体也会变得具有很强的化学活泼性.在放电气体中发生的反应称为等离子体化学反应,用电子温度Te和离子温度Ti作为参数.若

3、Te≈Ti称为平衡等离子体或高温等离子体.若Te>>Ti称为非平衡等离子体或低温等离子体.这两种不同的情况在不同的领域都有广泛的运用.2设备与装置[3-4]可以将等离子的产生理解为:一定的真空度,外加电场/磁场,通电条件下射频放电产生的特殊物质.各国学者一直努力研制一种能得到均匀稳定的等离子的设备.可以通过(1)解光放电,(2)电晕放电,(3)寂静放电,(4)RF放电,(5)微波放电这5种放电方式(基本特征见图1)来得到等离子体,但为了保证反应产物不分解,一般采用辉光放电形式.这类仪器通过外加电场可以有效地把能量直接传递给反应体系中的气

4、体分子,反应腔里将发生气体放电,产生非平衡等离子体,这种能量传递方法不仅经济有效,而且产生的等离子体具有能量高密度大的特点,所以应用较为广泛.根据反应器的结构不同分为内部电极方式的反应器,外部电极方式的反应器,直流放电反映器,采用商业频率的反映器,微波放电反映器(见图2).而大多数工业活动需在常压或加压(高气体浓度)条件下进行,尤其化学工业,环境工程和材料工业等还不具备在低气压条件下进行化学反应的工艺条件.图1四类放电形式的特征图2等离子体化学反应装置[3]3等离子的应用等离子虽然是一门新兴学科,但是其在科学研究各方面已经取得了广泛的运

5、用,涉及材料学,光学,电子学,医药学,环境学等不同领域.3.1材料学3.1.1膜材料对于制备薄膜技术而言,低温等离子体的引入,不仅产生了以有机单体气态聚合合成有机薄膜的全新等离子体聚合沉积(PPD)[3]技术,也在原有的沉积工艺上形成了一系列复合沉积技术,如等离子体增强化学气相沉积(FACVD)[3],反应离子镀(ARE)[3],等离子体增强外延生长(PAE)[3]等.低温等离子体在薄膜技术中的应用,无疑是以等离子体化学反应为基础,充分研究和利用等离子体化学反应将在下列方面优化薄膜工艺[5]:-6-1,膜材质多样化,由单一的金属,介质膜

6、,发展到有机化合物,高分子,金属有机化合物及它们的复合膜;2,膜结构多样化,已制备出非晶,微晶,多晶及交联状薄膜;3,膜性高功能化,通过控制反应物种,配比,反应条件,可以获得迭层,复合,共混,共聚等多种形态的薄膜,满足高功能要求,4,膜品质高优化.充分发挥化学键结合和过渡,界面层理论,可以在各种基体上实现薄膜的超薄,致密,无针孔,均匀,结合强度高的薄膜;5,膜生长低温化,部分无机化合物薄膜用CVD和FACVD在低温下生长,是等离子体化学反应降低成膜温度的一个例子.等离子体化学成膜的基本原理是在室温或较低温度时,从外部给气体施加电磁场形成

7、等离子态,这时由于气体发生离解,产生蒸气压很低的物质,它在固体表面沉积形成薄膜.等离子体反应薄膜沉积可分为溅射,离子镀,等离子化学气相沉积,等离子表面改性和聚合等类型.其中最引人注目的是等离子化学气相沉积方面的研究,最具代表性的是等离子体氮化硅膜(P-SiN)和等离子体氧化硅膜(P-SiO,P-PSG)[3].这两大类膜不仅应用广泛,而且性能稳定.最近研究应用等离子化学气相沉积技术制得陶瓷薄膜.3.1.2超微粉末在等离于体作用下,一些材料可以较为容易地发生断键和聚合.适当控制参数可以高效率地制备微细的甚至分子尺度的超细粉末.制备SiN,

8、Sic,SiO2[6-9]:等的技术已在开发成功,其效率和质量都是极有吸引力的.3.1.3超导材料自从1986年诺贝尔奖得主贝德诺尔兹和米勒发现复合氧化物高温超导体后,立即在世界范围内掀起一场超导热,这与其