低温等离子体概述


低温等离子体也称非平衡态等离子体,一般是指电子、离子、中性粒子的温度Te,Ti,Tn,满足Te>>Ti且Te>>Tn。之所以称为低温等离子体,主要是质量大的离子和作为等离子体本体的中性粒子一般都处在室温,它整体对外表现出很低的温度;而又被称为非平衡态等离子体,主要是电子的温度可以达到几个eV(几万度),与离子、中性粒子没有达到热平衡。

一般在低气压下,通过气体放电就可以产生低温等离子体。对气体施加电压,一些游离的电子在外电场的作用下开始加速,高速的电子会与气体的原子或分子发生碰撞。如果电子的能量没有达到原子的最低电离能,电子就会跟原子发生弹性碰撞,由于电子的质量远小于原子的质量,在弹性碰撞中电子几乎不失去能量,而接着被电场加速。当电子的能量达到原子的最低电离能时,就会发生非弹性碰撞,原子吸收电子的能量而发生电离,除了发生电离外,还会有激发跃迁、退激辐射,产生大量的光子和处于亚稳态的原子;如果气体含有分子和化合物,由于低温等离子体的碰撞不是很剧烈,会有游离态的未成对的原子和中性基团产生,它们都具有很高的化学活性。

低温等离子体两面性的表现就是除了具有经典的物理特性外,还具有化学活性。其实它的化学活性是由其微观结构中的非弹性碰撞来决定的,说到底还是原子物理的成分,包括分子、原子的激发、电离和离解,但是它化学活性的核心就是这些非弹性碰撞的生成物-活性基团(高能电子,亚稳态原子,中性基团,光子),这些活性基团极其不稳定,很容易重新组合成新物质。

以氧等离子体为例,氧分子在电子的非弹性碰撞下会产生电离、激发和离解,会有氧离子O2+,激发态的氧分子O2*,游离态的氧原子O生成,这个基团都是具有很强的化学活性的基团。

电离:e+O2→O2++2e
激发:e+O2→O2*+e
离解:e+O2→O+O+e

而且电离的发生会有很多带电基团生成如电子e和离子O2+,它们在电场的作用下会加速,高速的电子和离子会与材料表面发生碰撞而发生一些化学反应,它们的作用也不容忽视。

低温等离子体以其活波的化学活性见长,所以它的应用主要也是以化学应用为主,主要就是应用在新型材料的制备和对材料进行表面改性方面。而且利用低温等离子体方面制备材料与传统化学方法相比有很多优点,以低温等离子体的干法刻蚀与以往用腐蚀液进行的湿法刻蚀相比为例,优点有以下几点。第一,湿法刻蚀产生大量废液,造成公害,采用气体的干法刻蚀避免了废液处理问题,排出废气的净化处理过程也较方便简单。第二,湿法刻蚀必须在高温条件下进行,而干法刻蚀低温时就可获得较高的反应速度,主要就是利用低温等离子体中含有大量的活性基团。第三,湿法刻蚀通常是由液体与基板的接触点开始各相同性地进行,而反应性离子刻蚀可以沿着离子地入射方向实现非各相同性刻蚀。而且低温等离子体刻蚀特别适用于需要进行高精细加工的期间制作上。而且低温等离子体的表面改性技术可以是一些聚合物表面性能(亲水性,粘结性)发生很大的改观,是其他化学方法都无法完成的。

不过在使用低温等离子体制备新型材料和对材料进行表面改性时,必须要有稳定的等离子体源及等离子体诊断,它们是与低温等离子体应用不可分割的整体。

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