等离子体化学-1.ppt

等离子体化学与工艺 概述 一 等离子体发展历程 1745年莱顿瓶 最原始的电容器 用于储积大量电荷并获得高的静电电位 1750年本杰明 富兰克林证实了电的单流体理论 并同时证实了闪电是电的一种形式 并引入了正负极的概念 他发明了避雷针 因而避免了许多财富和人命的不必要的损失 1808年法拉第在放电和直流放电管的工作状况的研究 1906年劳伦兹提出了 电子 术语 在1898年WilliamErookes引入 电离 用来描述中性原子被击碎形成电子和离子 基于真空系统的发展 1862年真空泵 10 3Torr 的发明 1905年水银旋转泵 10 5Torr 1atm 760Torr 101325Pa 1928年等离子体的定义和研究 汤姆斯和朗缪尔 1929年德拜长度 描述等离子体的存在条件 1935年旋转油力泵 1955年油扩散泵 1965年涡轮分子泵 由于真空系统的发展和能量的给予方式的不断进步 目前等离子体应用极广 二 等离子体的定义 指电离气体 是由电子离子原子分子和自由基等粒子组成的集合体 其中电子和离子数相等 对外表现为电中性 三 等离子体的产生方式 1 电场加速电子 直流电场 交变电场 射频 微波 2 激光诱导3 热4 爆炸5 雷电 电场 四等离子体的分类 1 高温 上亿度 2 热 焊接 切割 几万度 3 等离子体 一千度以下 室温 聚变电站 等离子体焊接与切割 五 等离子体技术的应用 1 显示和照明 等离子体电视 2 焊接和切割3 冶炼 高纯态 无接触 4 制粉 制膜 纳米材料 5 刻蚀 微细加工 0 5以下用干法 6 环保应用 笑气 NO2 CO SO2 7 表面处理和改性 微波ECR等离子体技术及薄膜制备ECR MOPECVD设备 感应耦合离子源增强电子抢镀膜技术 ICP源和TCP源 ICP离子源气体放电 第一章物质的第四态 等离子体 1 1电离气体和等离子体1 1 1等离子体的概念1 物质状态 固体 液体 气体 等离子体 物质的第四态 2 等离子体态 等离子体是一种导电气流体 而又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性 气体分子间并不存在净电磁力 而电离气体 等离子体 中的带电粒子间存在库仑力 因而导致粒子群的种种集体运动 作为一个带电粒子体系的等离子体 其运动行为会受到磁场的影响和支配 定义 等离子体就是电离气体 是由电子离子原子分子和自由基等粒子组成的集合体 说明 不是任何电离气体都能算等离子体 只有当带电粒子密度达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时 带电粒子才会对体系性质产生显著影响 这样密度的电离气体才转变成等离子体 1 1 2等离子体的存在 闪电和极光 宇宙中 99 以上物质都呈等离子体态 太阳时一个灼热的等离子体球 常见的有 霓虹灯管中的辉光放电 电火花等 1 2等离子体空间的化学现象 1 2 1化学角度的等离子体1 化学上为使原子或原子团重新组合 就要提供反应所需的活化能 但地球是一个 冷星球 引申 寻求激活反应体系的新方式 2 物质有气态转变为等离子体态时 其化学行为发生变化 即等离子体空间富集的离子电子激发态的原子 分子和自由基 3 辉光放电的氢等离子体 注 这些活性物种在通常的化学反应中不易得到 但在等离子体态都可持续安全地生产 这种激发是靠电子动能激发的 与热能 光能等激发方式有所不同 在等离子体中便会显示出许多特异的化学现象 由一些简单物质 在无催化条件下 即可得到比较复杂的生成物 注 这可说明地球上原始大气是如何合成有机物和氨基酸 氮气等离子体 氮气是不活泼的 在很多场合作为保持气体来使用 如 氧气活泼 发生氧化 由等离子体氮可生成许多氮化物 TiN 超硬膜 BN氮化硼 SiN4等 等离子体中的原子氧与有机化合物的反应 先是夺取烷基中的氢使之氧化 随着氧化的不断进行 最终能使有机物分解为CO2和H2O对有双键的烯烃类也是如此只不过中间还要经过环氧化 原子氧的这种反应被有效地用于高分子材料的表面亲水处理或在分析化学中低温灰化 等离子体刻蚀光刻胶 结论 以上反应是在等离子体中的接近室温的条件下实现的 由于这一特性使得许多通常不能发生 或需要在极其苛刻条件才得发生的化学反应变化很容易进行 例如 金刚石的合成P6总结 等离子体 化学相 关联形成一门新学科 等离子体化学 1 2 2等离子体化学的形成 1 放电化学 P7 碳电极之间作氢气放电直接合成乙炔等等 2 等离子体 plasma希腊语 愿意 能构成成型的东西医学上作 血浆 原物质 讲 朗谬尔等发现电离气体中存在着荷电粒子持有周期性振荡 喻之为生命的脉动而称其为等离子体 3 发光现象 热源 发展到等离子体化学a 发光霓虹灯 荧光灯 水银灯等 b 热能 金属加工 熔融 等离子体焊接 切割 磁流体发电 受控核聚变 c 由于高技术的发展对新材料新工艺的迫切要求引起了人们对等离子体空间化学现象的广泛兴趣 开始对于等离子体化学能的研究和利用 等离子体化学诞生 1 3 1粒子密度和电离度1 密度 基本成分 电子ne离子ni中性粒子ng一般 ne ni时 为等离子体密度C单位是 1010cm 3 立方厘米1010个 2 电离度 1 3等离子体参数 密度和温度 很小时称为弱电离 较大时称弱电离 1时叫完全电离3 带电粒子间的平均距离l 粒子密度可由带电粒子间的平均距离求出 若单位体积带电为N 则N ne ni 则 l N 1 3 4 电子在离子静电势场中的平均势 一阶电离而言 1 3 2电子温度和离子温度 1 温度 具有统计概念 是 大量分子的动能的统计量 A 温度实际上是物质内部微观粒子平均平动动能的量度 B 在热力学平衡状态下 粒子遵从麦氏分布 且单个粒子平动为 C 当PE KE 库伦势位能PE 粒子可看成服从麦氏分布 由于温度与质量有关 即电子和离子和分子等在热平衡时要用不同的粒子温度来描述 即有 电子温度Te 粒子温度Ti 中性粒子温度Tg 一般来讲 等离子体的宏观温度取决于重粒子温度 D 等离子体温度单位 电子伏特ev 记为 若 因为 KT 1ev 1 6X10 12这时一个ev相当于绝对温度 T 11600K用到了 普朗克常量 玻尔兹曼常数 2 由等离子体粒子温度可将等离子体划分为两大类 A 热平衡等离子体 Thermalplasma 热等离子体 实际上 各种粒子的温度几乎是相等 组成的接近平衡的等离子体 叫局域热力学平衡态 localthermalequilibrium 这时又称为LTE态等离子体 B 非平衡态的plasma Te Ti 一般Te的温度达1014K以上 而Ti或Tg在300 500K 这时叫低温等离子体 coldplasma冷等离子体 一般在100Torr 1Torr 133Pa 以下的低气压下形成 注意P11 应消除产生 误解 高温 低温 低温 Te 10ev 约合1x105 但Ti只有 数百开 200 300k 高温 热核聚变达到上亿度 结论 在等离子体化学与工艺中 因电子能量变可使分子原子激发 离解和电离 另一方面体系又在低温下 乃至接近于室温 这样化学反应设备投资少 省能源在普通情况下可实现 1 3 3 沙哈方程 1 电离平衡 在等离子体中 产生电离同时伴随着复合 在热力学平衡态下 由于电离速率和复合速率相等时的状态 在温度T时 电离度 与电离条件的关系式 沙哈方程 气体电离电位 P的单位是Torr 2 如Cs铯 电离电位低 的蒸汽 在0 75x10 5Torr的低气压 在2000K便全电离 在1大气压下 需要8000K方可全电离 又如 氩 vi 15 759ev 电离电位高 在0 75x10 5Torr时 在5000K以下几乎不电离 注意 不同等离子体的密度和温度值可能悬殊很大 1 4等离子体的准电中性 基本特征 维持宏观电中性 由等离子体屏蔽特性和振荡特性 电中性条件的空间尺度和时间尺度 等离子体判据 1 4 1概述 1 正离子和电子的空间电荷互相抵消 使等离子体在宏观上呈现电中性 2 由于热运动或外界干扰 等离子体内时时处处都有可能出现电荷分离 偏离电中性现象 一旦出现偏离 这时电荷间的库仑作用又使电中性尽快的得到恢复 3 例如 P14 对于R 1cm的小球 突然有万分之一电子转出球外 电中性被破坏 球内正电荷过剩 可算出在球心1cm的球面处 电场达 4 等离子体在 偏离 恢复 之间运动着 同时有故谓之为 准电中性 1 4 2德拜屏蔽与德拜长度 由于扰动使之出现电量为q的正电荷积累 电子云 静电作用形成 电子云 这时 电子云 包围削弱了积累起来的正电荷对远处带电粒子的库仑力 这即是 静电屏蔽 德拜屏蔽 从而形成正电荷的静电势叫屏蔽库仑势 下面讨论 德拜长度 通过 屏蔽库仑势 德拜长度 等离子体电中性成立的空间长度 讨论 设待求的电势分布为 对空间任意一点满足泊松方程 其中 正电荷密度分布 由于屏蔽作用存在 其中 Ni r Ng r 服从麦氏分布 而且 电子质量小先达到热平衡 仍呈原来的电中性正电荷背景 电子势能则 热运动动能远大于平均位能 展开 按为小量 取二级近似 得到 这里用到了在电荷积累前 代入到泊松方程 令 德拜长度 德拜长度的意义 即方程的解 p16 在球坐标中 泊松方程可写成 方程边界条件 时 解应为 屏蔽库仑势 当r增大时 下降比 真空中的库仑势 快的多 屏蔽库仑势的有效作用力程大致可用德拜半径来表示 以为半径 以电荷中心作一球 称德拜球 在r的德拜球外 静电势场使减弱到可以忽略 德拜长度的物理意义 p17 等离子体对作用于它的电势具有屏蔽能力 即为静电相互作用的屏蔽距离或曰屏蔽半径 德拜长度是等离子体中电中性条件成立的最小空间尺度 A 当r时等离子体具有电中性 德拜长度还可以作为等离子体宏观空间尺度的下限即 等离子体的空间尺度L必须远大于德拜半径 判据等离