陕西科技大学材料学院《无机合成》课件6-7无机合成等离子体-激光技术

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1、无机合成与制备化学主讲：曹丽云2007.11陕科大第六章等离子体合成等离子体合成也称放电合成，是20世纪70年代才迅速发展起来的。原理：利用等离子体的特殊性质进行化学合成的一种新技术。由于现代测量技术的改善，人们对激发态的作用及等离子体与固体表面间的相互作用都有了越来越深入的了解，等离子体化学已日趋成熟，它给无机合成化学、有机合成化学、高分子合成化学、电子材料的加工处理等都开辟了新的领域。第一节等离子体——物质的第四态1.等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，是除固、液、气三态外物质的第四种状态。2.等离子体：

2、就是指电离程度较高、电离电荷相反、数量相等的气体，通常是由电子、离子、原子或自由基等粒子组成的集合体。处于等离子体态的各种物质微粒具有较强的化学活性，在一定的条件下可获得较完全的化学反应。3.把等离子体视为物质的又一种基本存在形态的原因：（1）它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质上均有本质区别。（2）即使与气体之间也有着明显的差异。原因：首先，气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体而又在整体上保持电中性。其二，组成粒子间的作用力不同，气体分子间不存在静电磁力，而等离子体中的带电粒子间存在库仑力，

3、井由此导致带电粒子群的种种特有的集体运动。第三，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显地会受到电磁场的影响和约束。说明：并非任何电离气体都是等离子体。只有当电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动时，体系的性质才会从量变到质变，这样的“电离气体”才算转变成等离子体。否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各部分的简单加和，而不具备作为物质的第四态的典型性和特征，仍属于气态。4.等离子体的分类第一类：是高温等离子体或称热等离子体(亦称高压平衡等离子体)。此类等离子体中

4、，粒子的激发或电离主要通过碰撞实现，当压力大于1.33×104Pa时，由于气体密度较大，电子撞击气体分子，电子的能量被气体吸收，电子温度和气体温度几乎相等，即处于热力学平衡状态。第二类：低温等离子体(又称冷等离子体)，是在低压下产生的，压力小于1.33×104Pa时，由于气体密度小，气体被撞击的几率减少，气体吸收电子的能量减少，从而造成电子温度和气体温度的分离，电子温度比较高(104K)而气体的温度相对较低(102～103K)，即电子与气体处于非平衡状态。气体压力越小，电子和气体的温差就越大。第二节产生等离子

5、体的常用方法和原理产生等离子体的方法和途径多种多样，涉及许多微观过程、物理效应和实验方法（如图4-1所示）。宇宙天体及地球上层大气的电离层属于自然界产生的等离子体。在等离子体化学领域中常用的产生等离子体的方法主要有以下几种：1、气体放电法（1）原理：在电场作用下获得加速动能的带电粒子特别是电子与气体分子碰撞使气体电离，加之阴极二次电子发射等其它机制的作用，导致气体击穿放电形成等离子体。（2）分类1）按所加的电场不同：可分为直流放电、高频放电、微波放电等。2）若按放电过程的特征划分：可分为电晕放电、辉光放电、电

6、弧放电等。辉光放电等离子体属于非平衡低温等离子体，电弧放电等离子休属于热平衡高温等离子体。就电离机制而言，电弧放电主要是借弧电流加热来使中性粒子碰撞电离，实质上届高温热电离。目前，实验室和生产上使用的等离子体绝，大多数是用气体放电法发生的，尤其是高频放电用得最多。2光电离法和激光辐射电离法光电离法原理：借入射光子的能量使某物质的分子电离以形成等离子体。条件：是光子能量必须大于或等于该物质的第一电离能。例如碱金属铯的第一电离能最小，只需用近紫外光源照射就可产生铯等离子体。激光辐射电离法激光辐射电离本质上也属光电

7、离，但其电离机制和所得结果和普通的光电离法不大相同。不仅有单光子电离，还有多光子电离和级联电离机制等。就多光子电离而言，是同时吸收许多个光子使某物质的原子或分子电离的。例如，红宝石激光的波长为0.69µm，单光子能量只有1.78eV。对于氩原子来说只吸收一个光子不可能产生电离，但同时吸收9个光子可实现电离。因此利用红宝石激光器辐射氩气完全可以产生氩等离子体，而用同样波长的普通光照射则不可能得到氩等离子体。激光辐射法的另一个特点是易于获得高温高密度等离子体。值得注意的是，近年来激光等离子体在化学领域的应用上呈现

8、明显上升趋势，如激光等离子体化学沉积等。3射线辐照法：用各种射线或者粒子束对气体进行辐照也能产生等离子体。例如用放射性同位素发出的α、β、γ射线，X射线管发出的X射线，经加速器加速的电子束、离子束等。α粒子是氦核He2＋，用α射线发生等离子体相当于荷能离子使气体分子碰撞电离。β射线是一束电子流，它引起的电离相当于高速电子的碰撞电离。对γ射线、X射线来说，只需令射线能量UR＝hν，显然可视为光电离。至