等离子体物理与当代高新技术(本科生).ppt

1、等离子体物理与高新技术 王友年 大连理工大学物理与光电工程学院 Plasma Simulations and Experiments Group (PSEG) 2012.6.29,物理学概论,内 容 一、等离子体在自然界中的存在 二、实验中等离子体的产生方法 三、等离子体的基本特性 四、描述等离子体的基本理论方法 五、等离子体技术及应用 六、大连理工大学等离子体物理学科简介,决定物质状态的内在因素: 分子(原子)的热动能 Ek=3kBT/2 分子(原子)之间的相互作用能 U(r) (1)当EkU(r)时,物质呈气态(高温);,如果温度继续升高，物质的状态如何?,一、等离子体在自然界中的存在 1

2、. 什么是等离子体？,等离子体是物质第四态,00C,1000C,100000C,普通气体,等离子体,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 10-4 ),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。具体地讲，等离子体就是一种特殊的电离气体。,咬文嚼字 等离子体是一个外来词，其英文名称为：Plasma，该词还有另一个意思 “血浆”。故台湾学者把plasma译为 “电浆”，而不叫等离子体。 大陆学者把plasma译为等离子体，是由物态（固体、液体及气体）变化的顺序演绎出来的。在“等离子体”四个字中，前三个字“等离子”是用来界定这种物质的属性，而最后一个

3、字“体”是物态的后缀词。 讲究对称是中国传统文化之一，但等离子体在字的个数上明显与固体、气体及液体不对称。“电浆”一词也与固体、液体及气体不对称，且不雅。 能否造出一个新词来表示plasma的中文含义？如（火+离）体？,2、等离子的存在 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 太空 空间（地球周围） 地面 实验室,恒星、恒星系、星际空间,天体等离子体,稀薄等离子体,Spokes in Saturns B Ring 土星周围的辐射轮,土星探测器：测量尘埃等离子体云,太阳就是一个为上亿度的等离子体球，其内部不断发生热核聚变反应，并释放出大量的带电粒子。这些带电

4、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,氢及其同位素发生的热核聚变反应,空间等离子体： 太阳风或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。,飞行器再入大气层遭遇”黑障”区,3-4分钟,太 空,空间等离子体： 地球周围的电离层，如极光现象。,空间等离子体： 闪电,美国摄影师杰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40多年。费恩现年58岁（2010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

5、候了将近两个小时，摆好相机拍了80多张照片，最终在2010年9月22日晚上8点45分等来了这一罕见时刻。,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,在实验里，可以通过气体放电来产生辉光等离子体,托卡马克：高温磁约束核聚变等离子体,微观层次上的等离子体： 固态等离子体： 1）金属材料中的电子气与离子晶格 2）半导体材料中的载流子与空位 夸克等离子体： 基本粒子中的夸克胶子,3、等离子体状的分类 a. 按存在的空间分： 天体等离子体 空间等离子体 实验室等离子体 按温度分： 高温等离子体（聚变） 低温等离子体（又分热等离子体和冷等离子体）,c.按放电气压分（实验室）： 大气压等

6、离子体 低气压等离子体 d.按电源的频率分： 直流放电等离子体 交流（射频）放电等离子体 微波放电等离子体,4、等离子体状态参数 a. 温度： 电子温度、离子温度、中性粒子的温度 1个电子伏 (eV) = 11650K b. 密度： 电子密度、离子密度、中性粒子的密度 准电中性条件： 电子密度 离子密度 = 等离子体密度,低温气体放电等离子体： 电子温度 1 10 eV 等离子体密度 108 1013 cm-3 聚变等离子体： 电子温度 1 20 keV 等离子体密度 1020 1025 cm-3,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30个量

7、级！ 温度变化跨近8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！,人们对等离子体的认识过 1879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； 1928年朗缪尔( Langmuir) 给它起名为等离子体，plasma; 到20世纪20年代，等离子体的基本基本概念和特征运动的时空 尺度已基本建立, 并进行了大量的直流辉光和直流电弧放电实 验； 上世纪30左右，由于无线电通讯技术的要求，人们开始研究空 间等离子体，如Alven，获诺贝尔奖； 上世纪30-50年代，建立了等离子体物理的基本理论框架； 从上世纪50年代起，开始进行受控热核聚变等离子体研究；

8、 在上世纪60年代，热等离子体技术工业化，如合成氨； 上世纪70年代以后，低温等离子体技术进入微电子工业，带来 了突破性地发展。,二、实验中等离子体的产生方法,等离子体产生的主要方法 气体放电方法 激光烧蚀方法 燃烧方法 冲击波方法 粒子束或射线方法 其中气体放电方法为最常用的方法,1、等离子体产生的微观机制（气体放电）,宇宙射线,中性气体,产生少量的 带电粒子,施加外电场,带电粒子与 中性原子分子碰撞,带电粒子与中性粒子的碰撞过程 激发过程,入射电子,中性气体中 的原子被激发,原子 第一激发能( eV) He 10.2 N 7.5 Ar 11.6, 电离过程,中性气体中的原子被发电离,入射电

9、子,原子 第一电离能( eV) He 24.6 N 14.5 Ar 15.6,电荷交换过程 A+ + B A +B+ 复合过程 A+ + e A* +光子 附着过程 A + e A- 离解过程 AB + e A + B + e 弹性碰撞 A+ + e A +e,1. 低频放电： 鞘层厚，鞘层电位降大，放电 是靠离子轰击电极产生的二次 发射电子维持的，即: g 放电模式,电极,鞘层,鞘层,2. 高频放电： 鞘层薄，鞘层电位降小，放电 是靠主等离子体区中性粒子与 快电子碰撞电离维持的，即: a 放电模式,发射出的二次电子数,两种不同的放电模式,低频,高频,2、气体放电的类型 （1）DC glow

10、discharges（直流辉光放电） （2）RF glow discharges （射频辉光放电） （3）Microwave discharges （微波放电） （4）Atmospheric-pressure discharges （大气压放电）,1、DC glow discharges,2、 Radio-frequency discharges (a) 平行板容性耦合,Capacitively-coupled plasmas (CCP),容性耦合等离子体中的射频电场性质同静电场，旋度为零，电场的方向垂直于电极面，具有纵向场的特点。 容性耦合放电装置类似于一个电容器，放电区是一个“三明治”结构

11、，即“鞘层/等离子体/鞘层”。射频电压主要降落在阻抗较大的等离子体鞘层区内。 电场随时间是周期性变化的。电子在周期性电场的作用下，不断改变运动方向，即与中性原子的碰撞几率高。因此，与直流辉光放电相比，射频放电等离子体密度较高。 在早期的容性耦合放电中，为单频电源驱动放电，而且电源的频率为 f=13.56MHz。第一代等离子体刻蚀源。 最近几年，出现的双频电源驱动放电，两个电源的频率不同，如： 60/2 MHz，27/2 MHz。两个电源可以施加在同一个电极或不同的电极。,(b) 感应耦合,平面线圈耦合的ICP,ICP source with planar coils,与容性耦合放电不同，感性耦

12、合等离子体中的射频电场为涡旋场，而且有感应磁场。 放电区分为趣肤层区和等离子体区。 同样，电场随时间是周期性变化的。可以在低气压（mTorr) 下放电。感应耦合放电等离子体密度更高。 应用： 1）第二代等离子体刻蚀源 (金属或半导体）。 2）沉积薄膜； 3）等离子体源离子注入，材料表面改性； 4）等离子体推进； 5）负离子源,射频偏压,微波,线圈,共振带,射频偏压,微波,线圈,共振带,3、 Microwave ECR discharges,Electron cyclotron resonance (ECR),B,E,右旋极化电场: E= Ereiwt ef,电子绕磁力线做回旋运动的方向与右旋极

13、化电场的方向一致回旋频率为： wce=eB/me 通过调整线圈的位置，即磁场在放电室的轴向分布，使得回旋频率wce在轴向某一位置上等于微波电场的极化频率w w=wce 则发生电子回旋共振。一般地，微波的频率为2.45GHz, 则对应的磁场为875G。,三、等离子体的基本特性 1、成分的复杂性 对于等离子体合成薄膜及等离子体刻蚀等工艺过程，通常采用一些化学活性的气体作为工作气体。这些气体电离后含有丰富的粒子种类，如电子、离子、原子、分子、离子团、活性基团及光子。,2、荷能性 等离子体中的电子、离子及中性粒子均是携带能量的。 在低气压等离子体中，电子的温度约为几个电子伏特，离子和中性粒子的温度约为

14、几百度，即： Te 几个 eV；Ti Ta室温 当在基片上施加负偏压时，鞘层区的离子能量很高，取决与施加的偏压。 对于电弧等离子体，整体荷能，电子温度和离子温度均在上万度。,3、开放性 （1）为了维持放电或控制Plasma 的形态，通常施加外电磁场。如：微波电磁场、射频感应耦合电磁场、静磁场等。 （2）对于等离子体工艺过程，放电时要不断进气和抽气。工作气体的密度要改变。 （3）采用探针、微波、激光等方法对等离子体进行诊断时，这些外来的“探针”要影响等离子体的状态。,4、空间非均匀性及时间瞬变性 空间非均匀性： 放电装置的空间尺度有限 器壁、电极、基片附近的等离子体 宏观体现：扩散、热传导、粘滞

15、等 时间的瞬变性：放电的初期，变化的外电磁场。,外加电压,两电极之间的气体激发,5、准电中性： 宏观上不显电性，即电子密度近似地离子密度,对于工艺上所使用的等离子体，除了电子外，还有不同种类的正离子和负离子，则准电中性条件为：,6、振荡性：,电 中 性 区,电中性区,负电荷区,正电荷区,外界扰动,（高斯单位制）,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 n0,7、Plasma Screening 在外界扰动下，plasma中要出现电荷分离现象，产生局域电场。但这种局域电场要受到等离子体的屏蔽。 Electron Debye Screening

16、 Length:,（高斯单位制）,一个电量为Q的带电小球， 在真空中 在等离子体中,8、等离子体的基本条件 一个放电系统，要产生plasma的基本条件为： 放电时间： 放电空间尺度： 附加条件：,四、描述等离子体的基本理论方法 1、流体力学理论 (Fluid theory) 将等离子体看成是一个带电的流体，其状态分别用一些宏观物理量来描述，如对于低气压等离子体，这些宏观量为： 电子密度 ne(r,t) 离子密度 ni(r,t) 电子温度 Te(r,t) 电场、磁场 E(r,t), B(r,t),流体力学方程组 Poisson 方程 或Maxwell方程组,电子的流体力学方程组 （静电模型，无外

17、磁场）,连续性方程,能量平衡方程,电子的通量,飘逸扩散近似,热流矢量,离子的流体力学方程组：,一般情况下，认为离子的温度变化很小，近似地等于中性气体的温度。,电磁场： 静电模式（如射频CCP）：,电磁模式（射频ICP）,2、动力学理论 ( Kinetic theory) 等离子体中带电粒子（电子、离子）的状态可以用分布函数fa (r,v,t)来描述（a=e, i）。该函数遵从Boltzmann方程：,宏观物理量与分布函数的关系： 带电粒子密度 带电粒子流速 带电粒子温度,3、 Particle-in cell/Monte-Carlo模拟 1）采用PIC模拟带电粒子的运动： 2）采用MC 方法模拟带电粒子与中性粒子之间的碰撞。 3）采用麦克斯韦方程组确定电磁场。,通才采用“赝粒子方法”来描述。,三种方法的比较 PIC/MC方法：微观层次上的研究 PIC需要求解N个赝粒子的运动状态，共有6N个自由度，即求解6N个方程组，再加上求解麦克斯韦方程组