氣體放電中等離子體的研究

1、氣體放電中等離子體的研究摘 要 :本文闡述了氣體放電中等離子體的特性及其測試方法, 分別使用單探針法和雙探針法 測量了等離子體參量,最后對本實驗進(jìn)行了討論。 關(guān)鍵詞 :等離子體,等離子體診斷,探針法一 . 引言等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)在宇宙中普遍存在。在實驗室中對等離子體的研究是從氣體放電開始的。 朗繆爾和湯克斯首先引入“等離子體”這個名稱。近年來等離子體物理學(xué)有了較快發(fā)展,并被應(yīng)用于電力 工業(yè)、電子工業(yè)、金屬加工和廣播通訊等部門,特別是等離子體的研究,為利用受控?zé)岷朔磻?yīng),解決能源 問題提供了誘人的前景。二 . 等離子體的物理特性等離子體定義為包含大量正負(fù)帶電粒子、而又不出現(xiàn)凈空間電荷的電離氣

2、體。 等離子體有一系列不同于普通氣體的特性:(1高度電離,是電和熱的良導(dǎo)體,具有比普通氣體大幾百倍的比熱容。 (2帶正電的和帶負(fù)電的粒子密度幾乎相等。 (3宏觀上是電中性的。 描述等離子體的一些主要參量為:(1電子溫度 e T 。它是等離子體的一個主要參量,因為在等離子體中電子碰撞電離是主 要的,而電子碰撞電離與電子的能量有直接關(guān)系,即與電子溫度相關(guān)聯(lián)。 (2帶電粒子密度。電子密度為 e n ,正離子密度為 i n ,在等離子體中 e i n n 。 (3軸向電場強(qiáng)度 L E 。表征為維持等離子體的存在所需的能量。 (4電子平均動能 e E 。 (5空間電位分布。本實驗研究的是輝光放電等離子體

3、。輝光放電是氣體導(dǎo)電的一種形態(tài)。當(dāng)放電管內(nèi)的壓強(qiáng)保持在 10102Pa 時,在兩電極上加高電壓,就 能觀察到管內(nèi)有放電現(xiàn)象。輝光分為明暗相間的 8個區(qū)域,在管內(nèi)兩個電極間的光強(qiáng)、電位和場強(qiáng)分布如 圖 1所示。 8個區(qū)域的名稱為(1阿斯頓區(qū), (2陰極輝區(qū), (3陰極暗區(qū), (4負(fù)輝區(qū), (5法拉第暗 區(qū), (6正輝區(qū), (7陽極暗區(qū), (8陽極輝區(qū)。其中正輝區(qū)是等離子區(qū)。三 . 單探針與雙探針法測量原理測試等離子體的方法被稱為診斷。等離子體診斷有探針法,霍爾效應(yīng)法,微波法, 光譜法等。本次實 驗中采用探針法。探針法分單探針法和雙探針法。(1單探針法。探針是封入等離子體中的一個小的金屬電極(其形

4、狀可以是平板形、圓柱形、球形 。以放電管的陽極或陰極作為參考點,改變探針電位,測出相應(yīng)的探針電流,得到探針電流與其電位之間的 關(guān)系,即探針伏安特性曲線,(2 雙探針法。 單探針法有一定的局限性, 因為探針的電位要以放電管的陽極或陰極點位作為參考點, 而且一部分放電電流對探極電流有所貢獻(xiàn),造成探極電流過大和特性曲線失真。雙探針法是在放電管中裝兩根探針,相隔一段距離 L 。雙探針法的伏安特性曲線如圖 4所示。在坐標(biāo) 原點,如果兩根探針之間沒有電位差,它們各自得到的電流相等,所以外電流為零。然而,一般說來,由 于兩個探針?biāo)诘牡入x子體電位稍有不同,所以外加電壓為零時,電流不是零。隨著外加電壓逐步增加

5、,電流趨于飽和。最大電流是飽和離子電流 I s1, I s2。 圖 4雙探針法有一個重要的優(yōu)點,即流到系統(tǒng)的總電流決不可能大于飽和離子電流。這是因為流到系統(tǒng)的 電子電流總是與相等的離子電流平衡。從而探針對等離子體的干擾大為減小。由雙探針特性曲線,通過下式可求得電子溫度 e T :12120i i e i i U I I e dUT k I I dI=+(11式中 e 為電子電荷, k 為玻耳茲曼常數(shù), 1i I , 2i I 為流到探針 1和 2的正離子電流。它們由飽和離子流 確定。U dU dI=是 0U =附近伏安特性曲線斜率。電子密度 e n 為:e n =(12 式中 M 是放電管所充

6、氣體的離子質(zhì)量, S 是兩根探針的平均表面面積。 s I 是正離子飽和電流。四 . 實驗儀器本實驗用等離子體物理實驗組合儀、 接線板和等離子體放電管。 放電管的陽極和陰極由不銹鋼片制成。 相關(guān)的試驗參數(shù)如下:探針直徑 (mm: 0.45 亥姆霍茲線圈直徑 (mm:200.00 探針軸向間距 (mm: 30.00 亥姆霍茲線圈間距 (mm:100.00 放電管內(nèi)徑 (mm: 6.00 亥姆霍茲線圈匝數(shù): 400 平行板面積 (mm2: 8.00 放電電流 (mA: 90 平行板間距 (mm: 4.00 取樣電阻值 ( : 1000六 . 用雙探針法測量等離子體參量儀器聯(lián)線如圖 7所示。 圖 7測

7、量時采樣電阻設(shè)定為 1000 ,放電電流設(shè)定為 90mA 。軟件自動計算的測量結(jié)果如下:I1 = 457.68 uA I2 = 398.25 uA tg = 1.7E-004 Te = 1.44E+004 K Ne = 1.94E+017 n/m3作曲線如圖 8所示。 圖 8可見單探針法與雙探針法測出的數(shù)據(jù)在數(shù)量級上是一致的。需要注意的是由于實際實驗中 1i I 和 2i I 并 不能達(dá)到飽和,因此對實驗數(shù)據(jù)處理時是在曲線兩邊各取一點做該點切線交與電流為零所對應(yīng)的直線,交 點的數(shù)值分別取為 1i I 和 2i I , 因此在取點時仍然會產(chǎn)生較大誤差。 但是我們觀察圖像發(fā)現(xiàn) 1i I 和 2i

8、I 的誤差均在正負(fù) 10%左右,分析公式 1212122101/i i e i i i i i i U U I I e dUe dUT k I I dIk I I I I dI=+可計算誤差范圍為2/1+,其中 1122110.110.10.91.1110.110.11.10.9i i i i I I I I +-+=+-,得相對誤差為 -10%-10%,可見雙探針法 大大降低了實驗誤差。七 . 用函數(shù)擬合計算等離子體特性參數(shù)我們注意到在推到單探針測量公式時用到的波爾茲曼分布方程為 (0exp p s e e e U U n n kT -=,不難看出我們并沒有考慮當(dāng) p U 接近并超過 s U

9、 時,單探針電流趨向飽和的特性。為了能顯示出這種特性,我們考慮 這樣一個函數(shù):1(1exp(d c y a d K x x -=+-,現(xiàn)在我們分析這個函數(shù)的特性:當(dāng) c x x <使得 exp( c K x x -遠(yuǎn)大于零時,函數(shù)漸進(jìn)為 1(1exp11d c K x x y a d d -= -當(dāng) c x x >使得 exp( 0c K x x -時,函數(shù)漸進(jìn)為 y a 這很好的符合了單探針的理論伏安特性, 因此我們用此函數(shù)來擬合數(shù)據(jù), 同時我們也有一定的理由認(rèn)為 此函數(shù)可以很好的表示單探針的伏安特性,因為我們發(fā)現(xiàn)當(dāng) c x x <時,函數(shù)漸進(jìn)為1(1exp11d c K

10、x x y a d d -= -其中 (exp1c K x x d -不同于 (exp p se e U U kT -, 而是多出了一個11d -因子, 分析實驗可知由于等離子 體中電子會和其他粒子碰撞, 這使得其到達(dá)探針?biāo)璧哪芰繎?yīng)該大于 (p s e U U -, 因此需要乘上一個系數(shù), 這個系數(shù)大于 1,通過之后的擬合可知11d -確實大于 1,因此我的猜想從這個角度來看是有其合理性的。 又由于我們并不知道實驗儀器零點是否準(zhǔn)確,因此還需要給擬合函數(shù)加上一個系數(shù) c ,代表函數(shù)的上下平 移。綜上我們?nèi)『瘮?shù)為01(1exp(d p s I c I d K U U -=+-其中 c , 0I

11、, d , K , s U 為待擬合的系數(shù),通過 matlab 擬合得圖像如下: 圖 -9由圖看到函數(shù)曲線和實驗數(shù)據(jù)擬合的相當(dāng)好,其中參數(shù)取值為:401.13610I A =, 80.05c A =-, 1.245d =, 10.2003K C J -=, 40.74s U V =由1eK etg d kT =- 可得 41.418810e T K =, 1739.714810e n m -=,計算結(jié)果與前面兩種方法所得結(jié)果量級相同。由于這種 方法認(rèn)為電流會飽和,但實際上由于離子鞘層的存在使得探針有效表面積增大,使得電流并不會飽和,因 此次方法的準(zhǔn)確性還需進(jìn)一步的實驗討論,另外單探針方法本身的

12、缺陷此種數(shù)據(jù)處理方法也無法彌補(bǔ)。此 種方法的優(yōu)點在于較為確定,不會出現(xiàn)前面方法中那樣憑肉眼判斷切線的情況,并且有更好的物理圖景。八 . 單探針法和雙探針法的優(yōu)缺點以及誤差分析雙探針法的優(yōu)點:雙探針法不需要參考電位,受放電系統(tǒng)接地情況的影響較小。另外由于流到探針的總 電流不會大于飽和離子電流,從而探針對等離子體的干擾大為減小。單探針法的優(yōu)點:單探針法可以通過伏安特性曲線得到雙探針法無法獲得的懸浮電位 F U 及空間電位 s U 。 由數(shù)據(jù)處理可以看到單探針法的誤差較大,因為實驗所得圖 -6沒有明顯的線性區(qū)以及飽和區(qū),因此在計 算 tg 以及確定 s U 時誤差很大,這是因為單探針的離子鞘層的厚度

13、隨著 p U 的增加而變化,使得到達(dá)探針 的電子數(shù)較多的偏離理論值,而且由于離子鞘層厚度的變化使得探針的有效面積發(fā)生變化使得電流無法真 正的到達(dá)飽和。對于雙探針法,離子鞘層對于平行板的影響可以忽略,但是電流仍無法達(dá)到飽和,在確定 飽和電流時仍然有較大的隨機(jī)性。九 . 思考題1. 氣體放電中的等離子體有什么特性?答:1. 高度電離,是電和熱的良導(dǎo)體,具有比普通氣體大幾百倍的比熱容。2.帶正電和帶負(fù)電的粒子密度幾乎相等。3.宏觀為電中性4.有輝光特性,電子的平均動能遠(yuǎn)大于其他粒子,處于非平衡狀態(tài)2. 等離子體有哪些主要參量?答:1. 電子溫度 e T 2. 帶點粒子密度 n ,電子密度 e n ,

14、正離子密度 i n3. 軸向電場強(qiáng)度 L E 4. 電子平均動能 e E 5. 空間點位分布3. 探針法對探針有什么要求 ?1電子和離子打到探針表面后被完全吸收,不會發(fā)生次級電子發(fā)射。2探針熔點要較高,保證其不會在放電過程中熔化。3探針不與等離子體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。4探針的線度適中:小于離子和電子的自由程,減小對等離子體的干擾;同時要明顯大于其表面的正離子鞘層的厚度,以減少離子鞘層的厚度的變化造成的影響。使用雙探針法時,兩探針應(yīng)垂直于放電電流方向放置,使兩個探針?biāo)诘牡入x子體電位盡量相同。黃潤生等 . 近代物理實驗 (第二版 . 南京大學(xué)出版社 .2008.4陶孟仙 , 等離子體特性的靜電探針測量

15、技術(shù),佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, Vol.18 No.3,2000低溫等離子體技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展隨著環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重 , 研究減少環(huán)境污染物的排放 , 或者采用新的方法吸附 , 回收這些排放物 , 或 將其分解為無毒的化合物業(yè)已成為環(huán)境保護(hù)工作的迫切任務(wù)。等離子化學(xué)是 60年代興起的一門交叉科學(xué)。 近年來有關(guān)低溫等離子體在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用研究日益增多 , 它是集物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和環(huán)境科學(xué)于一體 的全新技術(shù) , 有可能作為一種高效率、低能耗的手段來處理環(huán)境中的有毒物質(zhì)及難降解物質(zhì)。本文就低溫等 離子體的概念、產(chǎn)生、作用機(jī)理及應(yīng)用研究作一綜述。一、低溫等離子體的概念目前對低溫等離子體 (co

16、ld plasma 的定義還不甚明確 , 普遍認(rèn)為低溫等離子體是物質(zhì)存在的第 4種狀態(tài) , 又稱為非熱力學(xué)平衡狀態(tài)等離子體 , 由大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成 , 其中電子溫度 (Te離子溫度 (Ti,電子溫度可達(dá) 104K 以上 , 而其離子和中性粒子的溫度卻可低至 300 500K 2 。一般氣體放電產(chǎn)生等離子體 屬于低溫等離子體。二、低溫等離子體的產(chǎn)生低溫等離子體主要是由氣體放電產(chǎn)生的。根據(jù)放電產(chǎn)生的機(jī)理 , 氣體的壓強(qiáng)范圍、電源性質(zhì)以及電極的 幾何形狀、氣體放電等離子體主要分為以下幾種形式 :(1輝光放電 ;(2電暈放電 ;(3介質(zhì)阻擋放電 ;(4射頻放 電 ;(5微波放電。由于對諸

17、如氣態(tài)污染物的治理 , 一般要求在常壓下進(jìn)行 , 而能在常壓 (105P左右 下產(chǎn)生低溫 等離子體的只有電暈放電和介質(zhì)阻擋放電兩種形式 3 。2·1 輝光放電輝光放電屬于低氣壓放電 ( low pressure dis-charge, 工作壓力一般都低于 10mbar, 其構(gòu)造是在封閉的容 器內(nèi)放置兩個平行的電極板 , 利用電子對中性原子和分子的激發(fā) , 當(dāng)粒子由激發(fā)態(tài) (excited state 向基態(tài) (ground state 轉(zhuǎn)化時會以光的形式釋放出能量 . 由于輝光放電受低氣壓的限制 , 工業(yè)應(yīng)用難于連續(xù)化生產(chǎn)且 應(yīng)用成本高昂 , 因而無法廣泛地在工業(yè)中應(yīng)用。2·

18、;2 電暈放電電暈放電是使用曲率半徑很小的電極 , 如針狀電極或細(xì)線狀電極 , 并在電極上加高電壓 , 由于電極的曲率 . 半徑很小 , 而靠近電極區(qū)域的電場特別強(qiáng) , 電子逸出陽極 , 發(fā)生非均勻放電 , 稱為電暈放電。在大氣污染物治理 上 , 電暈放電法多用于煙道氣脫硫和脫硝 , 也有用電暈放電法去除空氣中揮發(fā)性有機(jī)氣體、 硫化氫、 鹵代烷烴、 以及對印染廢水脫色等。2·3 介質(zhì)阻擋放電介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生于兩個電極之間 , 其中至少一個電極上面覆蓋有一層電介質(zhì)。介質(zhì)阻擋放電是一種兼 有輝光放電的大空間均勻放電和電暈放電的高氣壓運(yùn)行的特點。由于其電極不直接與放電氣體發(fā)生接觸 , 從

19、而避免了電極因參與反應(yīng)而發(fā)生的腐蝕問題。又因其具有電子密度高和可在常壓下運(yùn)行的特點 , 所以介質(zhì)阻 擋放電具有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的可能性 , 介質(zhì)阻擋放電還可應(yīng)用于準(zhǔn)分子紫外光源和環(huán)境中難降解物質(zhì)的去 除。2·4 射頻低溫等離子體放電射頻放電的電極通常安裝在放電空間的外部 , 通過感應(yīng)耦合產(chǎn)生等離子體 . 產(chǎn)生射頻放電的方式有電容 耦合與電感耦合等兩種方式 . 由于射頻低溫等離子的放電能量高、 放電的范圍大 , 現(xiàn)在已經(jīng)在材料的表面處理 和有毒廢物清除和裂解中得到應(yīng)用。2·5 滑動電弧放電在兩電極上施加高壓使電極間流動的氣體在電極最窄處被擊穿 . 一旦擊穿發(fā)生電源就以中等電壓提

20、供 足以產(chǎn)生強(qiáng)力電弧的大電流 , 電弧在電極的半橢圓形表面上膨脹 , 不斷伸長直到不能維持為止 . 電弧熄滅后重 新起弧 , 周而復(fù)始 , 其視覺觀看滑動電弧放電等離子體就像火焰一般 . 滑動電弧放電產(chǎn)生的低溫等離子體為脈 沖噴射 , 但可以得到比較寬的噴射式低溫等離子體炬 (plasmatorch。三、低溫等離子體作用機(jī)理研究之一 , 通過遙感遙測技術(shù)獲取血吸蟲病疫區(qū)地面植被信息 , 為螺情監(jiān)測和血吸蟲病流行病學(xué)研究提供了 有力的工具 10 。通過對遙感圖像的聚類分析 , 可以辨別、提取出適宜釘螺孳生的植被區(qū)域 11 。將遙感 數(shù)據(jù)以 “穗帽變換” 植被指數(shù)分析后 , 可以得到釘螺孳生地分布

21、和釘螺空間擴(kuò)散二個空間模型 , 并且在遙感圖 像中可直接正確地測算出釘螺孳生面積數(shù)和釘螺擴(kuò)散潛在面積數(shù) 12 。此外 , 對 NDVI 遙感圖像與釘螺分布 指數(shù)圖、溫度分布圖、高程分布圖等資料的的空間分析、重疊分析研究提示 , 準(zhǔn)確、快速地利用遙感資料來 預(yù)測血吸蟲病流行范圍和強(qiáng)度具有應(yīng)用前景 13 。 遙感圖像的植被指數(shù)分析在我國流行病學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用雖 然還處在起步階段 , 但我們相信 , 隨著各項研究的深入開展 , 植被指數(shù)在流行病學(xué)研究中的應(yīng)用前景將是十分 廣闊的。目前對低溫等離子體的作用機(jī)理研究認(rèn)為是粒子非彈性碰撞的結(jié)果 4 。 低溫等離子體內(nèi)部富含電子、 離子、自由基和激發(fā)態(tài)分子 ,

22、其中高能電子與氣體分子 (原子 發(fā)生非彈性碰撞 , 將能量轉(zhuǎn)換成基態(tài)分子 (原子 的內(nèi)能 , 發(fā)生激發(fā)、離解和電離等一系列過程 , 使氣體處于活化狀態(tài)。一方面打開了氣體分子鍵 , 生成一些單 原子分子和固體微粒 , 另一方面 , 又產(chǎn)生 OH 、 H2O2等自由基和氧化性極強(qiáng)的 O3, 在這一過程中高能電子起決 定性作用 , 離子的熱運(yùn)動只有負(fù)作用 5 。常壓下 , 氣體放電產(chǎn)生的高度非平衡等離子體中電子溫度 (數(shù)萬度 遠(yuǎn)高于氣體溫度 (室溫 100左右 。 在非平衡等離子體中可能發(fā)生各種類型的化學(xué)反應(yīng) , 主要決定于電子的平 均能量、電子密度、氣體溫度、有害氣體分子濃度和共存的其它氣體成分。

23、這為一些需要很大活化能的反 應(yīng)如大氣中難降解污染的去除提供了理想途徑。另外也可以對低濃度、高流速、大風(fēng)量的含揮發(fā)性有機(jī)污 染物和含硫類污染物等工業(yè)廢氣進(jìn)行處理。四、低溫等離子體的應(yīng)用研究等離子體是和固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)處于同一層次的物質(zhì)第四態(tài)。低溫等離子體富含電子、離子、自由基 和激發(fā)態(tài)分子 , 電子與離子有很高的反應(yīng)活性 , 可以使通常條件下難以進(jìn)行或速度很難的化學(xué)反應(yīng)變得十分 迅速。近年來 , 由于工業(yè)的迅速發(fā)展而造成的嚴(yán)重的環(huán)境污染已成為影響人類生存與發(fā)展的全球性問題 , 研究 減少污染物的排放或者是采用新方法使其轉(zhuǎn)化為無害物 , 已成為環(huán)境保護(hù)工作者的迫切任務(wù) . 低溫等離子體污染物控制技

24、術(shù)作為一種新興的污染物處理技術(shù) , 具有流程短、效率低、能耗低、使用范圍廣等特點 , 因此用 其作為各類環(huán)境污染物的處理已成為當(dāng)前國內(nèi)外的熱門研究之一。目前 , 低溫等離子體技術(shù)在廢氣處理、汽 車尾氣處理、廢水處理、臭氧的合成等環(huán)境工程方面已獲得日益廣泛應(yīng)用 .4·1煙氣脫硫脫硝煙氣脫硝技術(shù)的研究是低溫等離子體在氣態(tài)污染物治理方面最早的應(yīng)用之一 , 該技術(shù)的研究內(nèi)容包括 等離子體反應(yīng)裝置的優(yōu)化設(shè)計和反應(yīng)機(jī)理的探討。KatamotoAkinori 等 11用溶膠凝膠法將 TiO2涂覆在等離子體反應(yīng)器內(nèi)壁 , 考察了去除 NOx 的效果。結(jié) 果表明 , 當(dāng)?shù)入x子反應(yīng)器中引入光催化劑時 ,

25、NOx 的去除率提高 10% 30%。在氣體流量為 1250mL/min時 , 其 最大去除率仍可達(dá) 60%,而能耗僅約為 50 eV/mol。 Shigeo Daito等 12和 Iwasaki 等 13則進(jìn)一步深入研究了 該體系去除 NOx 的過程。前者研究發(fā)現(xiàn) , 在單一紫外線照射的光催化體系中 ,NO2極易吸附在光催化劑表 面 ,NO 幾乎不被吸附 ; 在線板式脈沖電暈反應(yīng)器中脈沖電暈放電不但極大地增強(qiáng)了光催化劑的催化性能 , 還 促使 NO 氧化成 NO2并吸附在 TiO2表面 , 最終將 NO2氧化為硝酸 , 提高了 NOx 的去除率。后者研究發(fā)現(xiàn) , 光 催化體系中 TiO2對

26、NO2的形成有抑制作用。體系中 NO 的去除效率比單一體系高 , 但 NO2的濃度在單一體 系放電反應(yīng)中隨電壓升高而增大 , 當(dāng)放置 TiO2時 NO2的濃度并不隨電壓升高而增大。三峽大學(xué)的李瑋嵐等 14利用高壓脈沖等離子體催化還原 NO, 在溫度為 440 , 脈沖電壓為 2.2×104V 時 ,NO 的脫除率可達(dá) 53%,同時發(fā)現(xiàn) NO 脫除率隨脈沖極間電壓的升高而提高。華中科技大學(xué)的尹藍(lán)等 15利用高壓脈沖等離子體活化 NH3還原去除 NO, 用浸漬法制備催化劑 V2O5/TiO2,用 NH3作為還原氣體 , 升溫的 同時利用針頭作為陽極 , 大地作為陰極進(jìn)行放電處理。 研究表

27、明 , 在有氧條件下 (含氧量為 10% ,當(dāng) V2O5含量 為 4. 5%,溫度為 310 , 脈沖電源電壓在 14 00022 000V變化時 ,NO 的去除率可達(dá) 95.3%。北京交通大學(xué)的黃輝等 16采用流光放電等離子體對煙氣脫硫脫硝 , 在處理煙氣量為 6 000m3, 入口溫度 為 135 , 出口溫度為 90 ,NH3/SO2比為 1.31, 熱化學(xué)反應(yīng)段噴液量為 200L/h,DC/AC=20/10 kV(33 kHz,放電反 應(yīng)段噴液量為 150L/h,入口 SO2和 NO 濃度分別為 1357mg/cm3和 163mg/cm3情況下 , 脫硫和脫硝效率分別 達(dá)到 98%和

28、44%。4·2控制 COx 的排放從 1985年起 , 國外就開始利用直流電暈放電進(jìn)行分解 CO2的研究 10 。 華中理工大學(xué)采用脈沖電暈放 電研究燃煤煙氣中 CO2和 CO 的轉(zhuǎn)化規(guī)律 , 得出與國外基本一致的規(guī)律 5 。白希堯等 29在常溫常壓條件 下 , 利用超高壓脈沖電暈放電產(chǎn)生的高能量 (2050 eV低溫等離子體作用于 CO2氣體分子 , 使 CO2分子化學(xué)結(jié) 合鍵斷裂 , 在定向化學(xué)反應(yīng)作用下 , 將 CO2氣體分解為單原子氣體分子 O2和單質(zhì)固體顆粒 C,CO2分解率在 90%以上。4·3消除難降解化合物的研究哈隆是含溴的全鹵代烴的總稱 , 地球臭氧層正遭

29、受此類物質(zhì)的破壞。應(yīng)用低溫等離子體技術(shù)來降解環(huán)境 中的哈隆物質(zhì)的研究亦以成為熱點 11 。于勇等用低溫等離子體技術(shù)對三氟溴甲烷 CF3Br(哈隆 1301 進(jìn)行 了降解 , 在放電 3min 后 ,CF3Br(1·3kPa 的降解率可達(dá) 55%,在有氧氣存在時 , 降解率可達(dá) 68%。為低溫等離子 體降解哈隆類物質(zhì)提供了有益的參考價值 12 。4·4消除有機(jī)廢氣的降解研究有機(jī)廢氣如芳烴、醛類、有毒有害和惡臭氣體等的大量排放造成環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。美國國家環(huán)境保 護(hù)署 (EPA所列的 25種有害氣體排放物清單 (TRI中 , 有 18種是有機(jī)物 , 這 18種有機(jī)物占有毒氣體排

30、放量的 74. 2%,有機(jī)廢氣的治理已成為氣態(tài)污染物治理中極為重要的一部分。有機(jī)廢氣中甲苯的污染尤其嚴(yán)重 , 對甲苯 的治理也成為污染治理的熱點問題。國內(nèi)外對利用等離子體技術(shù)治理有機(jī)廢氣開展了一系列的研究。 Yamamoto 等 17首先提出用脈沖電暈放電法治理有機(jī)廢氣技術(shù) , 并進(jìn)行了探索性的研究 , 作者分別對甲 苯、 二氯甲烷和 CFC-113進(jìn)行了實驗研究 , 結(jié)果表明 , 甲苯消除率達(dá)到 100%,二氯甲烷的消除率為 95%, CFC-113的最大消除率為 65%。復(fù)旦大學(xué)于勇等 18采用介質(zhì)屏蔽放電 CF3Br(哈隆 1301, CF3Br(1. 3 kPa降解率達(dá)到 55%,而

31、CF3Br(2. 0 kPa-O2(2. 0 kPa體系中 , CF3Br的降解率達(dá)到 68%。Kang 等 19將表面負(fù)載了 TiO2的玻璃小球直接填充于線 -筒式放電等離子體反應(yīng)器中 , 研究了光催化劑與放電等離子體協(xié)同處理甲苯的效果。脈沖電壓為 13 kV, 120min后的檢測結(jié)果顯示 , 單一 O2等離子體作用 時 , 甲苯轉(zhuǎn)化率達(dá)到 40%;TiO2/O2等離子體氛圍下 , 轉(zhuǎn)化率提高到 70%;使用 -Al2O3作為載體 , 轉(zhuǎn)化率可達(dá) 80%。北京工業(yè)大學(xué)梁文俊 20, 21,清華大學(xué)趙雷等 22在這方面進(jìn)行了較深入的實驗室研究工作。前者采 用填有鈦酸鋇填料的線 -管式介質(zhì)阻擋

32、電暈反應(yīng)器去除甲醛 , 當(dāng)氣流速度為 21mm/s、 電場強(qiáng)度為 10 kV/cm時 , 甲醛去除率達(dá)到 97. 4%;利用同樣的裝置去除苯和甲苯 , 氣體流速為 17mm/s,電場強(qiáng)度為 11. 4kV/cm時 , 甲苯 去除率達(dá)到 96. 8%,苯去除率達(dá)到 92. 6%,相同條件下甲苯比苯更容易去除。 后者利用介質(zhì)阻擋放電處理空氣 中的甲苯 , 電壓為 9kV, 甲苯濃度小于 12 g/m3時 , 反應(yīng)器有較高的凈化效率 , 當(dāng)甲苯濃度較低時 , 凈化效率可接 近 100%。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)研究所的馬競濤等 23采用電暈放電等離子體處理硫化氫、乙硫醇、苯、甲苯、二 氯丙烷等惡臭氣體 ,

33、 研究發(fā)現(xiàn) , 停留時間越長、電壓越高 , 惡臭物質(zhì)的脫除效果越好 , 中試結(jié)果表明當(dāng)停留時間 大于 50 s,電壓為 25 kV時惡臭物質(zhì)的去除率大于 90%,進(jìn)一步延長停留時間和升高電壓 , 去除率不會大幅度提 高。廢氣中氧氣濃度的提高可以明顯提高硫化氮脫除率。李戰(zhàn)國等 24利用脈沖電暈放電去除硫化氫 , 硫化 氫去除率隨脈沖峰壓和脈沖頻率的增加而提高 , 隨氣體初始濃度和流量的增加而下降 ; 在初始濃度 360mg/m3、 流量 1200 mL/min、 脈沖峰壓 30 kV、 脈沖頻率 80Hz 的條件下 , 處理后的氣體中已檢測不到 H2S; 采用離子色譜對產(chǎn)物進(jìn)行定性分析 , 發(fā)現(xiàn)

34、 H2S 經(jīng)放電處理后的主要產(chǎn)物為 SO2和 SO3, 根據(jù)色譜檢測限 (0. 29mg/m3計算出的硫化氫去除率 99. 92%。 上海交通大學(xué)王曉鵬 25采用線 -筒式介質(zhì)阻擋電暈反應(yīng)器去除 硫化氫 , 當(dāng)氣體停留時間為 17 s、峰值電壓為 48 kV時 , 硫化氫去除率接近 96%。許曉俊等 26利用低溫等離子體技術(shù)處理污水廠惡臭氣體 , 結(jié)果表明 , 污水處理廠惡臭污染物凈化系統(tǒng)處 理效果明顯。當(dāng)參數(shù)得到優(yōu)化時 , 該技術(shù)對惡臭氣體中的 H2S 、 NH3、臭氣等污染物的去除率平均達(dá)到 90%以上 , 處理能耗為 0.051 kW·h/m3,噪聲小于 60 dB(A。 進(jìn)一

35、步工程試驗表明 , 該技術(shù)應(yīng)用于低濃度、 高流速、 大風(fēng)量惡臭氣體的處理 , 可以得到較高的去除效率 ; 如果在保證處理量的前提下 , 增加氣體停留時間 , 去除率還可以進(jìn)一步提高。清華大學(xué)周遠(yuǎn)翔等 27對低溫等離子體處理粉塵中的二惡英研究結(jié)果顯示 , 正脈沖放電對粉塵中二惡英 的處理效果較負(fù)脈沖放電的處理效果好。對不同毒性當(dāng)量因子的二惡英同分異構(gòu)體進(jìn)行試驗后發(fā)現(xiàn) , 脈沖放 電對二惡英同分異構(gòu)體的處理效率不同。二惡英毒性越高 (毒性當(dāng)量因子越大 的同分異構(gòu)體 , 用脈沖放電處 理的效果越好 , 毒性當(dāng)量因子最大的 2, 3, 7, 8-T4CD分解效率最高 , 可達(dá)到 81%。低溫等離子體對

36、重金屬汞和 某些毒劑及毒劑模擬劑等的研究文獻(xiàn)報道較少 28,但給出的處理結(jié)果顯示消除效果明顯。4·5其它Hadidi 等應(yīng)用可調(diào)諧電子束產(chǎn)生的一種可調(diào)混合型低溫等離子體 (Tunabale Hybrid Plasma,THP可同時處 理較大濃度范圍內(nèi)的廢氣 , 此 THP 在處理 CCl4和三氯乙烯過程中不僅在實驗室而且在現(xiàn)場都體現(xiàn)了其高效性 14 。目前 , 國外還發(fā)展了用低溫等離子體技術(shù)處理廢水 , 是一種兼具有高能電子輻射、臭氧氧化和光化學(xué) 催化氧化 3種作用于一體的技術(shù) , 目前國內(nèi)未見報道 15 。五、低溫等離子體技術(shù)存在的問題由于低溫等離子體是由多種粒子組成的復(fù)雜體系 ,

37、 其內(nèi)部及等離子體與固體表面存在多種物理化學(xué)過 程 , 而且易于受各種外場與自生場 (電場、磁場、電磁場、光場 的影響 2 , 受加工工藝有關(guān)的因素多 , 參數(shù) 范圍大 , 過程復(fù)雜 , 因而大多數(shù)過程的機(jī)理圖象還不夠清晰、完整 , 難以確定用以在線性反饋控制的內(nèi)部參量 , 導(dǎo)致一些非線性變化及由于不穩(wěn)定性造成的重復(fù)性差的問題 15 。六、展望低溫等離子體處理排放于環(huán)境中的各類污染物 , 與其它方法如高溫焚化法、 催化燃燒法及活性炭吸附法 , 比較起來更具高效性以及較低的能耗 , 在環(huán)保領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn) 1 劉正超 , 張振滿 , 候健 .CF2C1Br 的火花等離子體降解

38、J.環(huán)境科學(xué) ,1996,17(4:1. 2 任兆杏 , 丁振峰 . 低溫等離子體技術(shù) J.自然雜志 ,1996,18(4:201. 3 侯健 , 劉先鋒 , 候惠奇 , 等 . 低溫等離子體技術(shù)及其治理工業(yè)廢氣的應(yīng)用 J.上海環(huán)境科學(xué) ,1999,18(4:151. 4 Masudas,et al.Pulse corona induced plasma chemical process:ahorizon of new plasma chemical technologies Pure&Apple,Chem,1988,60(5:727.等離子體特性通常稱等離子體是“物質(zhì)的第四態(tài)” ,它

39、是由許多可流動的帶電粒子組成的體系。 通常我們在日常生活中很難接 觸到等離子體,其原因是在正常情況下物質(zhì)是以固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)形式存在的。實際上,在自然界中 99%的物質(zhì)是以 等離子體狀態(tài)存在的。我們的地球就是被一弱電離的等離子體(即電離層所包圍。在太空中的一些星體及星系就是 由等離子體構(gòu)成的,如太陽就是一氫等離子體球。當(dāng)然,人們也可以在實驗室中采用不同的氣體放電方法來產(chǎn)生等離 子體。用于材料表面改性或合成新材料的等離子體,一般都是由低氣壓放電產(chǎn)生的。等離子體在宏觀上是呈電中性的。但如果受到某種擾動,其內(nèi)部將會出現(xiàn)局域電荷空間分離,產(chǎn)生電場。如在等 離子體中放入一帶正電量 q 的小球,由于該電荷

40、的靜電場的作用,它將對等離子體中的電子進(jìn)行吸引,而對離子進(jìn)行 排斥。這樣,在它的周圍將形成一個帶負(fù)電的球狀“電子云” 。這時,帶電小球在等離子體中產(chǎn)生的靜電勢不再是一 簡單的裸庫侖勢,而是一屏蔽的庫侖勢,如: r/exp(r q V(rD -=(1.1-2 其中 20e B en 4T k =D (1.1-3 為德拜屏蔽長度(Debye Shielding Length . 可見電子云對帶電小球產(chǎn)生的庫侖勢(或場起著屏蔽作用,這種現(xiàn) 象被稱為等離子體的德拜屏蔽。德拜屏蔽長度是等離子體的一個重要物理參量。為了保證一個帶電粒子系統(tǒng)是一個等 離子體,通常要求其空間尺度 L 要遠(yuǎn)大于德拜屏蔽長度,即:

41、 L>>D . 對于典型的輝光放電等離子體,有 eV 1T k , cm 10n e B -310 0=,這樣 cm 1073D -=。等離子體另一個特性是其振蕩性。一般地,處于平衡狀態(tài)的等離子體在宏觀上其密度分布是均勻的,但從微觀 上看,其密度分布是有漲落的,且這種密度漲落具有振蕩性。為了說明等離子體密度漲落的振蕩性,不妨可以假設(shè)等 離子體是僅由電子和離子組成的。由于離子的質(zhì)量較重,可以看成離子是不動的,構(gòu)成一均勻分布的正電荷的本底。 如果在某點電子的密度突然受到擾動,相對正電荷的離子本底有一個移動,造成電荷空間分離。但這種電荷空間分離 不能繼續(xù)進(jìn)行下去,因為庫侖力的作用將試圖把

42、電子拉回到其原來的平衡位置,以保持等離子體的電中性。然而,由 于電子具有慣性,它們到達(dá)平衡位置時并不能停止下來,而是朝另一個方向繼續(xù)運(yùn)動,造成新的電荷空間分離。這樣 一來,庫侖力又要試圖把它們拉回到平衡位置,依此下去 。 這種現(xiàn)象即稱為等離子體的振蕩 ( Plasma Oscillation 。等離子體的振蕩頻率為e20p m e n 4= (1.1-4 實際上,上面我們討論的是等離子體中的電子密度的振蕩性。由于離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量,因此離子的振蕩頻 率相對很小。所以,通常講等離子體的振蕩實際上就是指電子的振蕩。 p 是等離子體的另一個重要的物理量。等離 子體電中性條件要求:等離子體放電

43、的特征時間尺度 t 要遠(yuǎn)大于等離子體的振蕩周期 p /1=。最后,我們討論一下等離子體中的鞘層現(xiàn)象。考慮一等離子體在初始時刻整體上處于準(zhǔn)電中性狀態(tài)。如果在等 離子體中懸浮一個不導(dǎo)電的絕緣基板,那么等離子體中的電子和離子都會朝著基板隨機(jī)地運(yùn)動,如圖 1.1。單位時間 內(nèi),到達(dá)基板上的平均粒子數(shù)正 xV 0 圖 1.1 懸 浮 基 板 附 近 的 鞘 層比于粒子的熱速度。 由于電子的熱速度 e e B m T =e T v 遠(yuǎn) i i B m T k i =T v , 因此單位時間內(nèi)到 達(dá)基板上的電子數(shù)要遠(yuǎn)大于離子的個數(shù)。到達(dá)表面上的電子除一部分與離子復(fù)合外,還將剩余一部分,從而在基板上出現(xiàn)凈負(fù)電

44、荷積累,即基板表面相對等離子體區(qū)呈 負(fù)電勢。該負(fù)電勢將排斥向表面運(yùn)動的后續(xù)電子,同時吸引正離子。直到基體表面的負(fù)電勢達(dá)到某個確定的值使離子 流與電子流相等時為止。顯然,由于基體表面呈負(fù)電勢,那么在基體表面與等離子體交界處形成一個由正離子構(gòu)成的 空間電荷層,也就是離子鞘層。可以證明:在這種情況下,基板上的電勢為i e i e e B m T T m e T k / /1(2ln 2(V 0+= (1.1-5實際上,不僅是懸浮的基板,凡是與等離子體交界的任何絕緣性物體,包括放電室的器壁、電極等,都會在其表面附 近形成一離子鞘層。特別是,在等離子體材料表面改性和合成薄膜材料技術(shù)中,通常在被加工的工件

45、或基體上施加一 負(fù)偏壓,從幾百伏到幾十千伏。這時,其表面將會形成一很厚的離子鞘層。下面將看到這種離子鞘層對等離子體的工 藝過程起著重要的影響,它直接決定著入射到工件表面上的帶電粒子的能量分布和角度分布。1.2 等離子體的產(chǎn)生(1直流輝光放電(Direct-Current Glow Discharge 典型的直流輝光放電實驗如圖 1.2所示。在一密封的石英 玻璃中充滿待要放電的氣體,氣壓約為 0.1- 10 Torr,并插入兩個金屬電極。當(dāng)管內(nèi)氣壓處于上述氣壓范圍某一固定值,且當(dāng)電源電壓 V 高于氣體的擊穿電壓BV 時,氣體開始電離,形成輝光放電。這種放電的電壓約為幾百伏,電流 約為幾百個毫安培

46、。等離子體 直流電源圖 1.2 直 流 輝 光 放 電 裝 置 示 意 圖在直流輝光放電管中,從陰極到陽極基本上可以劃分八個區(qū)域,即阿斯頓暗區(qū)、陰極輝光區(qū)、陰極暗區(qū)、負(fù)輝區(qū)、法 拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陽極暗區(qū)和陽極輝光區(qū)。其中,前三個區(qū)總稱為陰極位降區(qū)。大部分源電壓是在該區(qū)域下降,主 要是由于從陰極發(fā)射出來的電子在陰極位降區(qū)被加速。陰極位降區(qū)較暗,不發(fā)光。從陰極位降區(qū)出來的電子將與負(fù)輝 區(qū)中的原子或分子發(fā)生碰撞, 使其激發(fā)或電離。 因此, 負(fù)輝區(qū)發(fā)出的光較明亮。 經(jīng)過負(fù)輝區(qū)后, 電子的能量變得較低, 以至沒有足夠的能量再去激發(fā)原子或分子,因此在法拉第暗區(qū),發(fā)光較暗。在正柱區(qū),電場基本上是均勻的,且

47、電子 的密度與離子的密度近似相等。因此該區(qū)域就是等離子體區(qū)。接近陽極,電子被吸引且受到加速,而離子則被排斥。 被加速的電子仍能激發(fā)原子或分子,形成發(fā)光的陽極輝光區(qū)。直流輝光放電裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較簡單,造價較低。但缺點是電離度較低,且電極易受到等離子體中的帶電粒子 的轟擊。電極受到帶電粒子的轟擊后,將產(chǎn)生表面原子濺射,這樣一來,不僅電極的使用壽命被縮短,同時濺射出來 的原子將對等離子體造成污染。(3 微波放電(Microwave Discharges微波放電是將微波能量轉(zhuǎn)換為氣體分子的內(nèi)能,使之激發(fā)、電離以產(chǎn)生等離子體的一種放電方式。這種放電雖然 與射頻放電有許多相似之處,但能量的傳輸方式卻不相

48、同。在微波放電中,通常采用波導(dǎo)管或天線將由微波電源產(chǎn)生 的微波耦合到放電管內(nèi),放電氣體存在的少量初始電子被微波電場加速后,與氣體分子發(fā)生非彈性碰撞并使之電離。 若微波的輸出的功率適當(dāng),便可以使氣體擊穿,實現(xiàn)持續(xù)放電。這樣產(chǎn)生的等離子體稱為微波等離子體。由于這種放電無需在放電管中設(shè)置電極而輸出的微波功率可以局域地集中, 因此能獲得高密度的等離子體。 圖 1.4是一種微波電 子回旋共振 ( Electron Cyclotron Resonance, 簡稱 ECR 放電裝置。這種放電裝置分為兩部分, 即放電室和工 圖 1.4 EC R 微 波 等 離 子 體 放 電 裝 置作室。在放電室中,工作氣體

49、中的初始電子在由電流線圈產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場的作用下,繞磁力線做回旋運(yùn)動。電子的回 旋頻率為ece m eB = (1.2-1 其中 B 是磁感應(yīng)強(qiáng)度。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整磁場的空間分布,使得電子回旋頻率在沿放電室的軸向上某一位置與微波的 圓頻率 一致, 那么就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象, 稱為電子回旋共振。 對于這種類型的放電裝置, 微波的頻率一般為 2.45GHz , 那么發(fā)生共振的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 875高斯。實際上,磁場沿著軸線是發(fā)散的。借助于發(fā)散磁場的梯度,可以將放電室中 產(chǎn)生的等離子體輸送到工作室中以供使用。1.3 等離子體診斷方法研究等離子體物理過程的方法有兩種,一種是采用理論分析和計算機(jī)模擬,另一種就是所

50、謂的“等離子體診斷” 方法, 即采用實驗測試的方法來確定等離子體中的一些物理參數(shù), 如帶電粒子的密度和溫度、 電場和磁場的空間分布、 各種輸運(yùn)系數(shù)等。診斷低溫等離子體的方法很多,涉及到的內(nèi)容也很廣,但基本上可以分為兩類:一類是“打進(jìn)去” 的方法,而另一類則是“拉出來”的方法。前者是派一些“尖兵”深入到等離子體內(nèi)部去“偵察” 。用科學(xué)的語言表 述就是人為地向等離子體內(nèi)部送入各種形式的探針,如靜電探針、微波探針、粒子探針等。根據(jù)這些探針在等離子體中所產(chǎn)生的影響,即可以了解到等離子體內(nèi)部的情況。而后者是根據(jù)從等離子體中輻射出來的各種電磁波及發(fā)射出來 的各種粒子來推斷出等離子體內(nèi)部的狀況,如發(fā)射光譜法

51、、激光誘導(dǎo)熒光光譜法。下面僅介紹幾種最常見的等離子體 診斷方法。(2光譜分析由于光譜分析技術(shù)操作簡單,選擇性好,靈敏度高等優(yōu)點,而廣泛地應(yīng)用于測量等離子體參數(shù)。我們知道大多數(shù) 低溫等離子體工藝過程都是在輝光放電條件下進(jìn)行的。輝光放電本身可以發(fā)射出很強(qiáng)的光,有紅外光,紫外光,直至 X 光。發(fā)射出來的光譜有的是連續(xù)的,有的是不連續(xù)的,它們的特性與等離子體內(nèi)部的狀態(tài)有著直接的關(guān)系。通過對 等離子體發(fā)射出來的光譜進(jìn)行分析,不僅可以測量等離子體的參數(shù),同時還可以對工藝過程進(jìn)行監(jiān)控。一般的光譜診斷系統(tǒng)由單色儀、光電倍增管、放大器及記錄儀等組成,如圖 1.6所示。輝光放電發(fā)射出來的光經(jīng) 過由放電室的光學(xué)窗口

52、引入單色儀。在單色儀的出口夾縫處裝有光電倍增管,將單色儀發(fā)散后的不同波長的光轉(zhuǎn)換成 電信號,再經(jīng)過放大器放大后進(jìn)入記錄儀,其中單色儀是這個測量系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵部件。在記錄儀中裝有光探測元件,可以對發(fā)射出來的光譜 進(jìn)行拍照。將拍照出來的光譜與已知元素的光譜線進(jìn)行比較,即可以推斷出等離子體中所含的成分,而根據(jù)底片的感 光程度及暴光特性,則可以 圖 1.6 光 譜 測 量 系 統(tǒng)推斷出等離子體中電子的溫度。假定兩次測得不同頻率(為 1和 2處的發(fā)光強(qiáng)度之比為 ,則電子的溫度可以由下式確定ln (21 -=e T (1.2-4(3 微波透射測量法微波是一種頻率很高的電磁波。它的頻率范圍為 109101

53、1赫茲,波長從幾個厘米到幾個毫米。根據(jù)等離子體波動 理論可以證明,頻率為 的電磁波在非磁化等離子體中傳播時,波的色散關(guān)系為2222k c p += (1.2-5可見,當(dāng) p <時,電磁波在等離子體中不能傳播,稱這種現(xiàn)象為波的截止現(xiàn)象。利用波的截止現(xiàn)象可以測得電子的密度。圖 1.7為微波透射測量裝置示意圖。調(diào)整微波發(fā)生 圖 1.7 微 波 透 射 測 試 裝 置 示 意 圖器的發(fā)射頻率,是波的傳播處于臨界截止?fàn)顟B(tài),即 p c =。由此可以得到等離子體的密度為 2204em n e c = (1.2-6 可見,這種測量方法較為簡單。1.4 低溫等離子體技術(shù)低溫等離子體技術(shù)的應(yīng)用范圍非常很廣,

54、這里我們僅就涉及到等離子體與固體表面相互作用過程的一些應(yīng)用技 術(shù),如薄膜合成、材料表面改性、超大規(guī)模集成電路的制備等,進(jìn)行簡要地介紹。(1 薄膜合成目前,采用低溫等離子體合成薄膜技術(shù)主要有兩種方法,即物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,簡稱 PVD 和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition,簡稱 PCVD 。a. 物理氣相沉 :物理氣相沉積是借助于等離子體中的離子的物理效應(yīng)進(jìn)行薄膜沉積,主要分為離子鍍和濺射沉 積兩種。離子鍍技術(shù)是一種在等離子體環(huán)境下的蒸發(fā)技術(shù),工作室的真空度較高。在這種技術(shù)中,

55、蒸發(fā)出來的原子被 電離,然后在電場的作用下加速運(yùn)動到基體上,從而形成了鍍膜。這種技術(shù)簡單易行,沿用已久,廣泛地用于集成電 路電極的制作、布線、透鏡濾光片的鍍膜、金屬磁帶的制作及各種裝飾性鍍膜。但這種技術(shù)本身有許多缺點,如膜與 基體表面的附著能力較差、高熔點低蒸氣壓物質(zhì)不易鍍及制備功能薄膜時物性難以控制等。我們知道當(dāng)固體表面受到載能離子轟擊時, 靶表面的原子將被濺射掉。 因此, 在等離子體放電室中放置一固體靶, 并施加一負(fù)偏壓。這樣等離子體中的離子將轟擊靶的表面,并濺射出靶表面的原子。濺射出來的原子沉積到基體上, 即可以形成薄膜。這就是濺射沉積制膜技術(shù)。濺射現(xiàn)象早在 100多年前就被用于制膜技術(shù)

56、,其歷史甚至比離子鍍技術(shù)還早，但早年的直流濺射有許多缺點，故長期沒有得到應(yīng)有的發(fā)展。直到本世紀(jì) 60 年代末，由于高新技術(shù)興起對優(yōu)質(zhì)薄膜材料的需求，加之相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，使濺射制膜技術(shù)重新受到重視并得以不斷 的完善。特別是出現(xiàn)了射頻濺射、磁控濺射及反應(yīng)濺射等方法后，該技術(shù)在制膜工藝中得到了較廣泛地應(yīng)用。采用這 種技術(shù)可以制備光、電、聲、磁或優(yōu)良力學(xué)性能的各類功能材料膜，如 SiO2 保護(hù)膜、YBaCu3O7 超導(dǎo)膜、TiN 表面 硬化膜等，其中一些金屬膜早已實用化，而諸如超導(dǎo)膜、光集成電路用電介質(zhì)膜、磁性材料膜和光電子用半導(dǎo)體膜等 仍是世界各國競相研制的新材料。 b. 等離子體化學(xué)氣相沉積：等離

57、子體化學(xué)氣相沉積是一種新的新的制膜技術(shù)。它是借助于等離子體使含有薄膜 組成原子的氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化，而在基片上沉積薄膜的一種方法。在這種方法中，等離子體起著降低反應(yīng)溫度和 加速反應(yīng)過程的作用。這種方法特別適用于功能材料薄膜和化合物膜的合成并顯示出許多優(yōu)點，被視為第二代薄膜技 術(shù)。目前使用的 PCVD 裝置樣式很多，但基本結(jié)構(gòu)單元卻是大同小異。最常用的是射頻放電和微波放電 PCVD 裝置。 無論是物理氣相沉積方法還是化學(xué)氣相沉積方法，薄膜與基體的界面附著性并不是太好。其原因是沉積的原子能 量太低，以致不能進(jìn)入基體內(nèi)部。為了增強(qiáng)膜與基體的附著能力，可以采用離子束輔助沉積（deposition a

58、ssociated by ion beam）的方法來合成薄膜。具體方法是：在基體上施加一負(fù)偏壓，那么在中性粒子沉積過程的同時，等離子體中 的離子經(jīng)過鞘層電場的加速后而轟擊到基體的表面上。先沉積到基體表面的中性原子在離子的轟擊下，有可能進(jìn)入基 體表面層下面，從而提高了表面的附著能力。但這種方法也有一定的缺陷。薄膜表面的原子由于受到離子的轟擊后， 將導(dǎo)致濺射現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而加大了薄膜表面的粗造度。 (2 離子注入技術(shù) 我們知道：當(dāng)載能離子入射到固體表面時（能量一般在幾十千電子伏以上） ，一方面它與固體原子不斷地碰撞并 損失其能量，最后停止在固體表面層內(nèi)，從而改變了表面的成分；另一方面固體中的原子在與入射離子碰撞后，做反 沖運(yùn)動，形成一系