等离子体物理与高新技术-讲座

1、等离子体与人类社会的现代文明等离子体与人类社会的现代文明 王友年王友年 大连理工大学 物理与光电工程学院 等离子体模拟与实验研究小组 大连理工大学 物理与光电工程学院 等离子体模拟与实验研究小组 课题组网址：课题组网址： 2014年12月23日2014年12月23日 内容内容 一、等离子体的基本概念 二、等离子体技术及应用 一、等离子体的基本概念 二、等离子体技术及应用 “等离子体”（等离子体”（plasma）被称为“）被称为“物质的第四 态 物质的第四 态”，一般地它是由电子、离子、中性粒子组成的复 杂物质系统，能够表现出许多奇特的物理现象，并在 信息、材料、环境、空间等高新技术领域中有着重

2、要 的用途，已经极大地促进了人类的精神文明和物质文 明建设。 ”，一般地它是由电子、离子、中性粒子组成的复 杂物质系统，能够表现出许多奇特的物理现象，并在 信息、材料、环境、空间等高新技术领域中有着重要 的用途，已经极大地促进了人类的精神文明和物质文 明建设。 一、等离子体的基本概念一、等离子体的基本概念 1. 什么是等离子体？1. 什么是等离子体？ 等离子体是物质第四态等离子体是物质第四态 固体 冰 液体 水 气体 水汽 等离子体 电离气体 温度 00C1000C100000C 普通气体等离子体等离子体 放电 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体 性质 ( 电离度一般 10 需要有足够

3、的电离度的电离气体才具有等离子体 性质 ( 电离度一般 10-6 -6 ) ) 等离子体：等离子体：是由带电粒子（包括离子、电子、离子团） 和中性粒子组成的系统。简单地讲，等离子体就是一 种特殊的电离气体。 是由带电粒子（包括离子、电子、离子团） 和中性粒子组成的系统。简单地讲，等离子体就是一 种特殊的电离气体。 2、等离子体的存在2、等离子体的存在 自然界中 99%的物质是以等离子体状 态存在的！ 自然界中 99%的物质是以等离子体状 态存在的！ 是否太夸张？ 请看下面的例子是否太夸张？ 请看下面的例子 太空空间（地球周围）地面实验室太空空间（地球周围）地面实验室 星系、星云、星际 空间 星

4、系、星云、星际 空间 天体等离子体天体等离子体 属于稀薄等离子体属于稀薄等离子体 Spokes in Saturns B Ring 土星周围的辐射轮土星周围的辐射轮 土星探测器：探测尘埃等离子体云土星探测器：探测尘埃等离子体云 太阳就是一个为上亿度的等离子体球，其内部不断发生太阳就是一个为上亿度的等离子体球，其内部不断发生热核聚 变 热核聚 变反应，并释放出大量的带电粒子。这些带电粒子运动到地球 表面的近空间区，就形成所谓的“太阳风”。 反应，并释放出大量的带电粒子。这些带电粒子运动到地球 表面的近空间区，就形成所谓的“太阳风”。 天体等离子体天体等离子体 氢及其同位素 发生的热核聚 变反应

5、氢及其同位素 发生的热核聚 变反应 太阳系，太阳的质量占绝大部分太阳系，太阳的质量占绝大部分 空间等离子体：空间等离子体： 太阳风引起的磁暴现象将影响空间通讯信号的传输及空间飞 行器的安全。 太阳风引起的磁暴现象将影响空间通讯信号的传输及空间飞 行器的安全。 空间等离子体：空间等离子体： 地球周围的电离层，如极光现象。地球周围的电离层，如极光现象。 在太阳活动旺盛期，极光现象尤其明显。在太阳活动旺盛期，极光现象尤其明显。 空间等离子体：空间等离子体： 闪电闪电 美国摄影师美国摄影师杰杰费恩费恩拍摄到闪电直接打在自由女神像上的惊人照片，据悉他为了拍摄这一幕 已经等候了 拍摄到闪电直接打在自由女神

6、像上的惊人照片，据悉他为了拍摄这一幕 已经等候了40多年。费恩现年多年。费恩现年58岁（岁（2010年），他尝试拍摄闪电打中自由女神像的照片已 经有 年），他尝试拍摄闪电打中自由女神像的照片已 经有40多年了，从少年时期刚接触摄影开始，这就是他的一个心愿。为了拍摄闪电打中自 由女神像的照片，费恩冒着暴风雨在曼哈顿的巴特利公园城守候了将近两个小时，摆好相 机拍了 多年了，从少年时期刚接触摄影开始，这就是他的一个心愿。为了拍摄闪电打中自 由女神像的照片，费恩冒着暴风雨在曼哈顿的巴特利公园城守候了将近两个小时，摆好相 机拍了80多张照片，最终在多张照片，最终在2010年年9月月22日晚上日晚上8点点

7、45分等分等来了这一罕见时刻。来了这一罕见时刻。 上帝之怒！委内瑞拉“卡塔通博河”闪电赏析上帝之怒！委内瑞拉“卡塔通博河”闪电赏析 位于委内瑞拉西北角的“卡塔通博河闪电”又名“位于委内瑞拉西北角的“卡塔通博河闪电”又名“永恒的风暴永恒的风暴”，这一奇特的大气现 象每年发生近 ”，这一奇特的大气现 象每年发生近120万次，即使远在万次，即使远在250英里英里(约合约合402.5公里公里)开外，仍清晰可见。开外，仍清晰可见。 气体放电产生的等离子体气体放电产生的等离子体 如日常生活中的日光灯、霓虹灯、电弧等如日常生活中的日光灯、霓虹灯、电弧等 在实验室里，可以通过气体放电来产生辉光 等离子体 在实

8、验室里，可以通过气体放电来产生辉光 等离子体 我们实验室： 平行板之间产生的等离子体 我们实验室： 平行板之间产生的等离子体 中性气体和离子温度：几十度 电子温度： 中性气体和离子温度：几十度 电子温度：40000度度 托卡马克：高温磁约束核聚变等离子体托卡马克：高温磁约束核聚变等离子体 3、等离子体的分类3、等离子体的分类 a.按存在的空间分：a.按存在的空间分： 天体等离子体 空间等离子体 天体等离子体 空间等离子体 实验室等离子体实验室等离子体 b.按温度分：b.按温度分： 高温等离子体（高温等离子体（聚变等离子体聚变等离子体） 低温等离子体（ ） 低温等离子体（又分热等离子体和又分热等

9、离子体和冷等离子体冷等离子体） c.按放电气压分：c.按放电气压分： 大气压等离子体大气压等离子体 低气压等离子体低气压等离子体 d.按电源的频率分：d.按电源的频率分： 直流直流放电等离子体放电等离子体 交流交流放电等离子体放电等离子体 微波微波放电等离子体放电等离子体 4、等离子体状态参数4、等离子体状态参数 a. 温度a. 温度： 电子温度、离子温度、中性粒子的温度 ： 电子温度、离子温度、中性粒子的温度 1个电子伏 (eV) = 11650K 1个电子伏 (eV) = 11650K b. 密度：b. 密度： 电子密度、离子密度、中性粒子的密度电子密度、离子密度、中性粒子的密度 准电中性

10、条件：准电中性条件： 电子密度 离子密度 = 等离子体密度电子密度 离子密度 = 等离子体密度 等离子体参数空间等离子体参数空间 可以看出，对于不同的等离子体，其参 数变很大： 等离子体密度的变化跨近 可以看出，对于不同的等离子体，其参 数变很大： 等离子体密度的变化跨近3030个量级！ 温度变化跨近 个量级！ 温度变化跨近8 8个量级！个量级！ 可以讲：等离子体是处在极端条件下 产生的极端物质！ 可以讲：等离子体是处在极端条件下 产生的极端物质！ 人们对等离子体的认识过程人们对等离子体的认识过程 1879年年Crook指出放电管中的电离气体是不同于气体、液体、固体的 物质第四态； 指出放电管

11、中的电离气体是不同于气体、液体、固体的 物质第四态； 1928年朗缪尔年朗缪尔( Langmuir) 给它起名为等离子体，给它起名为等离子体，plasma; 到到20世纪世纪20年代，等离子体的年代，等离子体的基本概念基本概念和和特征运动的时空 尺度特征运动的时空 尺度已基 本建立 已基 本建立, 并进行了大量的并进行了大量的直流辉光直流辉光和和直流电弧直流电弧放电实 验；放电实 验； 上世纪上世纪30年代 ，由于无线电通讯技术的要求，人们年代 ，由于无线电通讯技术的要求，人们开始研究空间等离子 体 开始研究空间等离子 体，如，如Alven； 上世纪上世纪30-50年代，建立了等离子体物理的年

12、代，建立了等离子体物理的基本理论框架基本理论框架； 从上世纪从上世纪50年代起，开始进行年代起，开始进行受控热核聚变受控热核聚变等离子体研究；等离子体研究； 在上世纪在上世纪60年代，年代，热等离子体技术工业化热等离子体技术工业化，如等离子体化工；，如等离子体化工； 上世纪上世纪70年代以后，年代以后，低温等离子体低温等离子体技术进入微电子及光伏等工业，带来技术进入微电子及光伏等工业，带来 了突破性地发展。了突破性地发展。 （1）（1）准电中性：准电中性： 宏观上不显电性，即电子密度近似等于离子密度宏观上不显电性，即电子密度近似等于离子密度 对于工艺上所使用的等离子体，除了电子外，还有不同种类

13、的正离 子和负离子，则准电中性条件为单位正电荷的电量等于负电荷的电量： 对于工艺上所使用的等离子体，除了电子外，还有不同种类的正离 子和负离子，则准电中性条件为单位正电荷的电量等于负电荷的电量： 5、等离子体的基本物理特性5、等离子体的基本物理特性 Q+i=Qe+Q-i (2)振荡性：(2)振荡性： 电 中 性 区 电 中 性 区 电 中 性 区 电 中 性 区 负 电 荷 区 负 电 荷 区 正 电 荷 区 正 电 荷 区 外界扰动外界扰动 2/1 2 0 2/1 2 0 44 i pi e pe m en m en （高斯单位制高斯单位制） Langmuir 振荡：是电场力和惯 性力共同作

14、用的结果，是等离子 体的固有属性。 Langmuir 振荡：是电场力和惯 性力共同作用的结果，是等离子 体的固有属性。 Plasma n0 (3)屏蔽性(3)屏蔽性 1/2 2 0 4 Be d k T n e 一个电量为Q的带电小球，在真空中的电势为: 在等离子体中的电势为: 一个电量为Q的带电小球，在真空中的电势为: 在等离子体中的电势为: ( ) Q U r r d r e r Q rU / )( 屏蔽长度屏蔽长度 屏蔽的结果,使得小球的电势变弱!屏蔽的结果,使得小球的电势变弱! 二、等离子体技术及应用二、等离子体技术及应用 1.等离子体技术在1.等离子体技术在半导体工业半导体工业中的应

15、用 2.等离子体技术在 中的应用 2.等离子体技术在光伏产业光伏产业中的应用 3.等离子体技术在 中的应用 3.等离子体技术在生物医学领域生物医学领域中的应用 4.等离子体技术在 中的应用 4.等离子体技术在环境领域环境领域中的应用 5.等离子体技术在 中的应用 5.等离子体技术在航天及军事领域航天及军事领域中的应用 6.等离子体与 中的应用 6.等离子体与受控核聚变受控核聚变技术技术 国家的战略安全国家的战略安全 人类健康及可持续发展人类健康及可持续发展 带动全球经济发展带动全球经济发展 全球未来的能源危机全球未来的能源危机 等离子体工程等离子体工程 Plasma Technology 1、

16、等离子体技术在半导体工业中的应用1、等离子体技术在半导体工业中的应用 众所周知：半导体芯片是现代通信技术、控制技术及科学 计算的基石。 众所周知：半导体芯片是现代通信技术、控制技术及科学 计算的基石。 半导体 芯片 半导体 芯片 在半导体芯片处理工艺，约有在半导体芯片处理工艺，约有1/3的工艺用到了等离子体技术：的工艺用到了等离子体技术： 等离子体刻蚀技术离子注入技术（等离子体刻蚀技术离子注入技术（SOI） 薄膜沉积技术掺杂技术 ） 薄膜沉积技术掺杂技术(doping) 等离子体去胶技术清洗技术等离子体去胶技术清洗技术 中芯国际集成电路制造有限公司中芯国际集成电路制造有限公司(上海上海) 大连

17、英特尔公司大连英特尔公司 等离子体刻蚀、沉积技术等离子体刻蚀、沉积技术 半导体芯片制造半导体芯片制造 等离子体装备：等离子体装备： 等离子体刻蚀机、等离子体镀膜机等离子体刻蚀机、等离子体镀膜机 感性耦合等离子体源容性耦合等离子体源感性耦合等离子体源容性耦合等离子体源 集成电路制造工艺中的典型的沉积和刻蚀过程集成电路制造工艺中的典型的沉积和刻蚀过程 显微镜下的刻蚀槽图片：显微镜下的刻蚀槽图片： 实际上晶圆处理过程中的处理步骤可达实际上晶圆处理过程中的处理步骤可达上百道，包括氧化，光刻，扩散， 沉积等工序反复进行 上百道，包括氧化，光刻，扩散， 沉积等工序反复进行，其中仅仅每一层沉积后的光刻过程就

18、包括了涂胶、烘烤、 曝光、显影、坚膜、刻蚀、清洗、去膜等多套步骤。其中大部分工艺需要依赖于 低温等离子体放电技术，比如刻蚀去胶，沉积、清洗，掺杂过程等等。 ，其中仅仅每一层沉积后的光刻过程就包括了涂胶、烘烤、 曝光、显影、坚膜、刻蚀、清洗、去膜等多套步骤。其中大部分工艺需要依赖于 低温等离子体放电技术，比如刻蚀去胶，沉积、清洗，掺杂过程等等。 大规模集成电路结构图大规模集成电路结构图 集成电路集成电路 中微公司总裁尹志尧博士中微公司总裁尹志尧博士 主要产品：等离子体刻蚀机、物理气相沉积设备、等离子体化学沉积设备 北方微电子公司总裁赵晋荣 主要产品：等离子体刻蚀机、物理气相沉积设备、等离子体化学

19、沉积设备 北方微电子公司总裁赵晋荣 英特尔公司芯片特征尺寸的发展历程英特尔公司芯片特征尺寸的发展历程 国家中长期科技规划(2005-2020)制订了 16个重大科技专项 国家中长期科技规划(2005-2020)制订了 16个重大科技专项 国际大的半导体设备公司：国际大的半导体设备公司： 1）美国的应用材料公司）美国的应用材料公司 2）美国的诺发公司）美国的诺发公司 3）日本的东京电子公司）日本的东京电子公司 4）中国的中微公司）中国的中微公司 国际大半导体芯片制造公司国际大半导体芯片制造公司 1）美国的）美国的 Int公司公司 2）韩国的三星公司）韩国的三星公司 3）中国台湾的台积电）中国台湾

20、的台积电 3）中国的中芯国际）中国的中芯国际 等离子体刻蚀技术等离子体刻蚀技术 2. 等离子体技术在光伏产业中的应用2. 等离子体技术在光伏产业中的应用 洁净能源： 核能、风能、水能、地热能、 洁净能源： 核能、风能、水能、地热能、太阳能太阳能等等 太阳能电池：单晶硅、薄膜硅太阳能电池：单晶硅、薄膜硅 理想能源设备有限公司 总裁钱学煜博士 理想能源设备有限公司 总裁钱学煜博士 理想能源设备（上海）有限公司理想能源设备（上海）有限公司 -微晶硅薄膜沉积设备 （等离子体增强化学气相沉积） -微晶硅薄膜沉积设备 （等离子体增强化学气相沉积） 在光伏工业中，等离子体技术主要用于在光伏工业中，等离子体技

21、术主要用于： 沉积非晶或微晶硅薄膜；沉积非晶或微晶硅薄膜； 沉积减反射薄膜；沉积减反射薄膜； 等离子体制绒；等离子体制绒； 等离子体切边等。等离子体切边等。 gas RF power plasma 平板CCP装置示意图平板CCP装置示意图 RF power 世界上很多大公司及科研单位从事世界上很多大公司及科研单位从事硅薄膜太阳能电池硅薄膜太阳能电池的 生产及研发： （1）美国应用材料公司 （2）日本的三菱公司 （3）瑞士 的 生产及研发： （1）美国应用材料公司 （2）日本的三菱公司 （3）瑞士Oerlikon公司 （4）上海理想能源公司 （5）荷兰的Utrecht University .

22、（4）上海理想能源公司 （5）荷兰的Utrecht University . 等离子体沉积工艺等离子体沉积工艺 等离子体医学等离子体医学 (plasma medicine): 1) 生物表面的等离子体辅助处理；生物表面的等离子体辅助处理； 2) 等离子体灭菌；等离子体灭菌； 3) 等离子体治疗（口腔、皮肤疾病）等离子体治疗（口腔、皮肤疾病） 3. 等离子体技术在生物医学领域中的应用3. 等离子体技术在生物医学领域中的应用 等离子体餐饮油烟机等离子体餐饮油烟机等离子体工业油雾废气净化装置等离子体工业油雾废气净化装置等离子体中央空调净化装置等离子体中央空调净化装置 有害废气处理 有害废气处理 4.

23、 等离子体技术在环境领域中的应用4. 等离子体技术在环境领域中的应用 等离子体等离子体 发电厂的煤的助燃：发电厂的煤的助燃：等离子体点火技术等离子体点火技术 山东烟台龙源电力公司（上市公司）山东烟台龙源电力公司（上市公司） 龙源技术自2006年开始等离子体燃烧技术在降低氮氧化物排放方面的应用研究，自主开发了“煤粉锅炉等离子体低NOx 燃烧 技术”，已申请发明专利。该技术创新性明显，技术含量高，在实现煤粉锅炉稳定燃烧，保证锅炉燃烧效率的基础上，能较大幅 度降低氮氧化物排放，具有非常良好的应用前景；建议围绕等离子体低NOx燃烧机理、设备优化和费用效益分析等内容深入研究， 使该技术能尽快转化为生产力

24、。2008年3月，国家环保总局批准立项，在国电电力大同第二发电厂4锅炉进行工业应用。 2008年下半年起公司已开始向火电厂推广该技术，已与国电东北电力有限公司、国电电力发展股份有限公司签订了合作推广 等离子体低NOx燃烧系统的框架协议，根据该框架协议，2008年10月、11月分别与内蒙古布连电厂、吉林江南热电厂签订供货合 同。 污水处理 污水处理： 利用高压纳秒脉冲功率源在待处理污水 中放电,产生大面积丝状通道,在放电空 间迅速传播引起雪崩效应。由于放电瞬 间释放高压脉冲大功率,在水中产生超强 紫外光、臭氧和高能电子协同的“先进 氧化处理”作用,在反应器中直接产生活 性极强的自由基, 通过自由

25、基与有机化 合物之间的聚合、取代、电子转移、断 键等作用,使水体中的大分子、难降解有 机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物 质, 甚至直接降解成CO 利用高压纳秒脉冲功率源在待处理污水 中放电,产生大面积丝状通道,在放电空 间迅速传播引起雪崩效应。由于放电瞬 间释放高压脉冲大功率,在水中产生超强 紫外光、臭氧和高能电子协同的“先进 氧化处理”作用,在反应器中直接产生活 性极强的自由基, 通过自由基与有机化 合物之间的聚合、取代、电子转移、断 键等作用,使水体中的大分子、难降解有 机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物 质, 甚至直接降解成CO2 2和H和H2 2O ,接近完 全矿化,达到降解氧化、脱

26、色、杀菌的效 果,通过快脉冲放电等离子体处理后,有 毒有害难降解的大分子污染物快速聚合 沉淀,易于处理。 O ,接近完 全矿化,达到降解氧化、脱色、杀菌的效 果,通过快脉冲放电等离子体处理后,有 毒有害难降解的大分子污染物快速聚合 沉淀,易于处理。 脉冲高压水下放电脉冲高压水下放电 5、等离子体在航天及国防领域中的应用5、等离子体在航天及国防领域中的应用 等离子体等离子体隐身技术隐身技术 等离子体等离子体推进技术推进技术 等离子体等离子体减阻技术减阻技术 等离子体等离子体天线技术天线技术 飞行器进入大气层的防护（耐热涂层技术） 飞行器进入大气层的防护（耐热涂层技术） 等离子体等离子体隐身隐身技

27、术技术 等离子体等离子体层层 飞行器 雷达 飞行器 雷达 等离子体等离子体隐身隐身技术技术 等离子体隐身的基本 原理是： 等离子体隐身的基本 原理是： 产生的等离子体，使 照射到等离子云上的雷达 波一部分被吸收，一部分 改变传播方向 降低返回到雷达接收机 的能量 产生的等离子体，使 照射到等离子云上的雷达 波一部分被吸收，一部分 改变传播方向 降低返回到雷达接收机 的能量 优点：优点：吸波频带宽、吸收 率高、隐身效果好、不改变 飞机的外形设计，不影响飞 行器的飞行性能；降低了维 护费用。减阻以上。 吸波频带宽、吸收 率高、隐身效果好、不改变 飞机的外形设计，不影响飞 行器的飞行性能；降低了维

28、护费用。减阻以上。 缺点缺点：等离子体发生器有较大的重 量和体积，产生等离子体的功耗比较 大等；飞机上安装等离子体发生器的 部位本身无法雷达隐身和等离子体发 光暴露目标的问题， 等离子体发生器有较大的重 量和体积，产生等离子体的功耗比较 大等；飞机上安装等离子体发生器的 部位本身无法雷达隐身和等离子体发 光暴露目标的问题， 等离子体“拦截”技术等离子体“拦截”技术 等离子体团等离子体团 飞行器飞行器 等离子体“炮”等离子体“炮” 等离子体推进技术 等离子体推进技术 采用等离子体推进器来 取代燃料推进器对深空 探测卫星进行： 采用等离子体推进器来 取代燃料推进器对深空 探测卫星进行： 深空推进 卫星调姿 深空推进 卫星调姿 飞行器再入大气层的防护飞行器再入大气层的防护 等离子体层（激波） 地球地球 近地 区域 近地 区域 电离层电离层 飞行器再入大气层遭遇”黑障”区,3-4分钟飞行器再入大气层遭遇”黑障”区,3-4分钟 太空太空 国家“十二五”重大科学工程（论证）：国家“十二五”重大科学工程（论证）：空间环境的地面模拟系统空间环境的地面模拟系统 核聚变反应：核聚变反应： D + T = n + 4He D + T = p + 3He 爱因斯坦质能关系：爱因斯坦质能关系：E=mc2 轻核转变成重核轻核转变成重核 6. 等离子体与受控热核聚变技术6. 等离子