塵埃等離子體

1/1塵埃等離子體淺談塵埃等離子體

關(guān)鍵詞塵埃等離子體，帶電塵埃，等離子體

塵埃等離子體(dustyplasma)物理是近一二十年中迅速成長起來的研究領(lǐng)域.這種等離子體的組分除了電子、離子以及中性氣體以外,還包含有帶電微粒,微粒的尺寸通常小的可到納米量級(jí)、大的可到幾微米或幾十微米甚至到毫米量級(jí).等離子體中的作用主要是靜電的相互作用,而懸浮在等離子體中的顆粒一般也是帶電的,所以這些顆粒也參與了與其他兩種粒子的相互作用,使這種物質(zhì)形態(tài)內(nèi)的過程更復(fù)雜.這一物質(zhì)形態(tài)最重要的特點(diǎn)是微粒在等離子體中是帶電的,每個(gè)顆粒能帶成千上萬個(gè)基本電荷,但荷質(zhì)比卻比離子要小很多個(gè)數(shù)量級(jí);此外所帶的電荷不是常數(shù),是隨等離子體參數(shù)的變化而變化的;顆粒的運(yùn)動(dòng)除了受重力作

圖1塵埃等離子體的組成

用外,主要受電磁力的支配.這一性質(zhì)使塵埃等離子體有別于含負(fù)離子的等離子體,使之呈現(xiàn)出許多新的物理現(xiàn)象,激發(fā)起人們的研究興趣.本文僅就這一領(lǐng)域的歷史和研究前沿作一簡單介紹[1].

1簡要?dú)v史

塵埃等離子體廣泛存在于自然界,典型的如土星的光環(huán)(圖2左)它是由尺寸從1米到億分之一米的塵埃顆粒組成的.此外,彗星尾巴、一些星際云,都可看成塵埃等離子體.

但是塵埃等離子體作為研究對(duì)象是從20世紀(jì)80年代才開始的.部分起因來自土星光環(huán)的觀測(cè)與研究.當(dāng)時(shí)在土星光環(huán)中觀察到一些輪輻式結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)可以持續(xù)一小時(shí)以上,在幾分鐘內(nèi)看到變化.因?yàn)楣猸h(huán)中的離子運(yùn)動(dòng)都是沿環(huán)繞土星的軌道而進(jìn)行的，所以用傳統(tǒng)

[1]圖2（左圖）旅行者2號(hào)拍下的土星環(huán)中輻條狀塵埃照片,左框照片時(shí)間間隔為10分鐘

[1,2]

（右圖）等離子體刻蝕中硅片上方的塵埃環(huán)照片以及塵埃顆粒的電鏡圖,顆粒直徑為20m

理論不能解釋.但是后來用等離子體領(lǐng)域里熟悉的不穩(wěn)定性理論解釋了這一現(xiàn)象.所謂不穩(wěn)定性,是等離子體中常見的現(xiàn)象,就是有某種原因?qū)е铝四撤N運(yùn)動(dòng)或變化,而這運(yùn)動(dòng)或變化的結(jié)果又加劇了這一原因,導(dǎo)致增長或振蕩.解釋土星輪輻式結(jié)構(gòu)的模型是認(rèn)為有外來大型顆粒入射到土星環(huán),使等離子體局部密度變化,導(dǎo)致電場(chǎng)擾動(dòng),順環(huán)運(yùn)動(dòng)的塵埃顆粒在這里積累,產(chǎn)生局部變黑效應(yīng).而這一局部變化可以作為波在徑向傳播,形成輪輻結(jié)構(gòu).

另一個(gè)事件是IBM的Sewlyn等人在1989年報(bào)道的等離子體刻蝕半導(dǎo)體芯片過程中的塵埃污染[2].在這之前,微電子工業(yè)中經(jīng)常遇到顆粒污染問題,開始人們總是認(rèn)為芯片是在空氣中被污染的,因而總是不斷地提高潔凈工作室標(biāo)準(zhǔn),但總是無法消除污染.出于商業(yè)機(jī)密,工業(yè)界從未公開這些問題.Sewlyn等人發(fā)現(xiàn)塵埃顆粒不是從外界帶入的,而是在刻蝕過程中生長起來的.刻蝕中常用的氣體是氬氣和硅烷等混合氣體,后者是極易反應(yīng)的氣體,容易產(chǎn)生二氧化硅,分子間聚集形成塵埃顆粒.在他們的實(shí)驗(yàn)中用激光誘導(dǎo)熒光的方法來診斷反應(yīng)氣體的濃度,這樣的信號(hào)本來是很微弱的,然而他們卻意外發(fā)現(xiàn)很強(qiáng)的散射信號(hào)來自微米大小的顆粒對(duì)激光的散射,這些顆粒被靜電懸浮在硅片的上方,相互聚集并生長,如圖1右圖所示.在放電過程中,這些顆粒被等離子體帶電,由電場(chǎng)力和重力相平衡而被懸浮,但在放電結(jié)束時(shí)電場(chǎng)力消失,它們?cè)谥亓ψ饔孟碌粼诠杵?造成污染.這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示了等離子體材料處理中的塵埃粒子具有與空間環(huán)境中的塵埃顆粒相同的性質(zhì),使得這兩個(gè)領(lǐng)域的人們走到一起,共同推動(dòng)了塵埃等離子體物理的發(fā)展.Selwyn等人的發(fā)現(xiàn)還有另一層意義.實(shí)驗(yàn)室搞基礎(chǔ)研究的人們始終在尋找產(chǎn)生強(qiáng)耦合等離子體晶體的方法,他們?cè)噲D用帶電塵埃來產(chǎn)生,但苦于無法將塵埃顆粒托起.Sewlyn等人的實(shí)驗(yàn)使他們受到啟發(fā),用射頻放電和與等離子體刻蝕相同的氣體可以產(chǎn)生塵埃顆粒并且利用等離子體鞘層可將它們懸浮在基板的上方.1994年,我國臺(tái)灣國立中央大學(xué)的伊林等人[3]以及德國馬普研究所的Morfill等人[4]幾乎同時(shí)在實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)了塵埃等離子體晶體結(jié)構(gòu),這就極大地鼓舞了這個(gè)領(lǐng)域人們的研究熱情.另外,1995年美國Iowa大學(xué)的Barkan等人在穩(wěn)態(tài)等離子體中觀察到塵埃顆粒運(yùn)動(dòng)激發(fā)的塵埃聲波[5],又推動(dòng)人們對(duì)塵埃等離子體中集體波動(dòng)與不穩(wěn)定性問題的研究高潮.除了空間和材料處理中存在塵埃粒子以外,在磁約束聚變托卡馬克裝置的邊緣區(qū)域也常常發(fā)現(xiàn)由于離子轟擊而產(chǎn)生的塵埃微粒[6]這些微粒對(duì)等離子體的輸運(yùn)產(chǎn)生深刻影響.由此可見,等離子體中存在帶電塵埃是很普遍的現(xiàn)象,使得不同研究方向的學(xué)者有了共同的研究興趣.從20世紀(jì)90年代中期開始,很多原來從事空間、實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)應(yīng)用等離子體的人們改做塵埃等離子體物理的工作,在此之后的10余年中,塵埃等離子體研究得到飛速發(fā)展,在等離子體學(xué)科中形成一個(gè)嶄新的分支領(lǐng)域.

在與天體物理毫不相干的另一技術(shù)領(lǐng)域也發(fā)現(xiàn)了塵埃等離子體的蹤跡.這個(gè)領(lǐng)域就是迅速發(fā)展的大規(guī)模集成電路的制造業(yè),或稱IT業(yè).現(xiàn)在的IT業(yè)廣泛使用等離子體技術(shù),如等離子體刻蝕、鍍膜.這樣的工藝過程當(dāng)然要求很清潔的環(huán)境,避免環(huán)境中的塵埃污染成品.但是這樣的污染難于完全避免,因?yàn)樗鼈儾煌耆珌碜原h(huán)境而主要來自等離子體過程.這是因?yàn)榈入x子體中的離子會(huì)與固體器壁強(qiáng)烈作用,將器壁材料濺射進(jìn)等離子體,或者一些反應(yīng)氣體會(huì)合成固體顆粒.例如,粒子在石墨電極或鋁真空室壁上濺射出來的碳或鋁離子在空間結(jié)合成微粒.

2最近幾個(gè)前沿問題

最近一個(gè)熱門的焦點(diǎn)是把塵埃等離子體實(shí)驗(yàn)搬到無重力環(huán)境下的國際空間站上進(jìn)行.在地球表面由于受重力作用,塵埃只能被約束在很薄的鞘層中,而在空間站上,塵埃可以停留在整個(gè)等離子體中.由此引發(fā)了人們對(duì)微重力條件下塵埃等離子體的理論和實(shí)驗(yàn)研究.另一個(gè)熱點(diǎn)問題是對(duì)二維塵埃晶體中的顆粒進(jìn)行操縱,在其中激發(fā)晶格波動(dòng)和馬赫錐[7,8].通常在電極上施加一擾動(dòng)電壓,可激發(fā)起格點(diǎn)振動(dòng),通過顆粒間的相互作用形成晶格波,這些波可以是縱波也可以是橫波[9].有人還通過在晶面下的導(dǎo)線上加一負(fù)電壓脈沖,在晶面中激發(fā)起沖擊波[10].馬赫錐現(xiàn)象類似于超聲速(馬赫數(shù)大于1)物體在空氣中激發(fā)起波陣面是圓錐形的激波,實(shí)驗(yàn)中通常是利用掃描激光束通過輻射壓力使晶面中的某一顆粒以超聲速運(yùn)動(dòng),從而激發(fā)起V字形的馬赫錐,或利用晶面上方或下方的另一顆超聲速運(yùn)動(dòng)的顆粒來激發(fā).

塵埃等離子體物理是內(nèi)容極為豐富的研究領(lǐng)域,