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1、材料合成与制备第一章材料气相合成与制备°气相合成与制备的大致过程在和大气隔开的腔纳米颗粒内这些产物重新组合，形成固相材料沉积的薄膜气相物质：分子、原子、原子簇、自由基基板第一章材料气相合成与制备°气体本身是一个高能量物质存在状态。°气态中的等离子体则是一种能量可受外界调控的体系。°许多气相制备方法都涉及到等离子体。第一章材料气相合成与制备第一节等离子体的基础知识1.1等离子体°等离子体：电离程度较高、电离电荷相反、数量相等的气体，通常指由电子、离子、原子或自由基等粒子组成的集合体。第一节等离子体的基础知识°等离子体特点（与普通气体相比）Ø导电与电中性：等离子体则是一种导电流体，并且在整体上保
2、持电中性。Ø粒子间作用力：等离子体中的带电粒子间存在库仑力，并导致带电粒子群的集体运动。Ø受外场的调制：等离子体的运动行为明显地受到外界电磁场的影响和约束。Ø等离子体与电离气体的关系：气体电离度要大到能限制其自身运动的程度。第一节等离子体的基础知识1.2等离子体的化学特征°等离子化学反应的能量水平高。体系温度可达5×103~2×104K°能使反应体系呈热力学非平衡态。°N→等离子体→金属材料表面改性(氮化)；装2饰材料TiN(金色)；陶瓷材料SiN34°HC=CH→等离子体→金刚石薄膜(0.1atm,22450℃)，而一般金刚石形成条件为1600~1800℃，60,000atm。第一节等离子
3、体的基础知识1.3等离子体的粒子密度和温度°等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度。1.3.1粒子密度和电离度°n为电子密度,n为离子密度,n为中性粒子密度。eig电离度α可定义为°一般电离度很小，属弱电离等离子体；当α较大(约大于0.1)时,属强电离等离子体。第一节等离子体的基础知识1.3.2.电子温度和离子温度°从微观角度来看，温度实际上是物质内部微观粒平均平动能的量度。°热平衡等离子体:又称热等离子体。特点是等离子体中不仅电子温度高,重粒子温度也高，即T≈T≈T。eig°非平衡态的等离子体:又称低温热等离子体。特点是其电子温度高达104K以上,而离子和原子之类的重粒子
4、温度却可低到300～500K，即T》T。ei第一节等离子体的基础知识°低温热等离子体的意义ØT=10eV,即大约相当于1×105K,而T只有数ei百K。ØT低，意味着粒子靠热运动碰撞而传递的热i量不高，整体的宏观温度便较低。Ø反应体系有高的能量，而反应容器则接近室温。非常有利于制备条件的实现。第一节等离子体的基础知识1.4等离子体的准电中性°宏观上电中性是等离子体的基本特征。°在微小区域内，由于受内部粒子热运动的扰动存在外界干扰等缘故,等离子体内时时处处都有可能出现电荷分离,即偏离电中性的现象。°一旦出现偏离,存在于电荷间的库仑相互作用又将使电中性尽快得到恢复。°等离子体的准电中性就是指其本
5、身特有的偏离⇔恢复的现象。第一节等离子体的基础知识°等离子体对电中性的破坏的敏感度Ø在电子密度为1020/m3的等离子体如在半径为1cm的球区域内，有万分之一的电子移出球外等离子的电中性受到破坏，呈正电荷的过剩。Ø这时正电荷在半径为1cm的球面处产生的电场强度为：1q1(ni−ne)e435－2E==πR=6.7×10(伏特⋅秒）224πεR4πεR300第一节等离子体的基础知识Ø这时电子受到很强的电场，电子在这样的情形下，得到的加速度为eE17－2a==1.18×10(米⋅秒）meØ该值非常大。因此，出现局部电荷分离时，电中性得到迅速恢复。第一节等离子体的基础知识°等离子体中究竟在多大的范
6、围内会产生偏离电中性。Ø在没有外场存在的情况下，电中性的偏离驱动力直接来自于粒子的热运动的能量。Ø偏离⇔恢复平衡的作用力Å热运动（T）→电中性的偏离Å电场的作用→电中性的恢复Å等离子体的电离程度（电荷密度）→电中性的恢复的强度Ø在平衡时，等离子体中偏离电中性范围可看成一个球的区域，其半径为λ，称为德拜长度。D第一节等离子体的基础知识1.4.1德拜屏蔽与德拜长度°当有q电量的正电荷积累,在该静电势场作用,其周围一定会吸引电子而排斥正离子,结果出现一个带净负电荷的球状“电子云”。电位φ°电子云起着削弱了积累电荷作用，即静电屏蔽作用,在等离子体中称λD为德拜屏蔽。距离rq−r/λ°屏蔽电位：Dφ(
7、r)=e4πεr0εkT°德拜长度：0eλ=D2ne第一节等离子体的基础知识°德拜长度物理意义：Ø等离子体具有屏蔽作用,λ为静电屏蔽半径。DØλ是等离子体中电中性条件成立的最小空间尺度。Dr<λ的范围内,等离子体呈非电中性Dr>λ的空间尺度上来看,等离子体才是电中性。DØ若一个电离气体称得上这就是说,其存在的空间条件应为L》λ。D第一节等离子体的基础知识°霓虹灯中的电离气体：ØT≈194K，n≈1010，则λ
