微波与等离子体

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1、二、等离子体的概念三、等离子体的分类和获取四、四类等离子体反应一、微波的概念五、高温等离子体在无机合成中的应用六、低温等离子体在无机合成中的应用一、 微 波1 概念微波与无线电波、红外线、可见光一样都是电磁波， 微波是指频率为300MHz-300KMHz的电磁波，即波长 在1米到1毫米之间的电磁波。是分米波、厘米波、毫米 波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率 高，通常也称为“超高频电磁波 ”。 微波通常由直流电或50Hz交流电通过一特殊 的器件来获得。产生微波的器件有许多种，但主要分为两大 类：半导体器件和电真空器件。电真空器件是利 用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或 称之

2、为电子管。在电真空器件中能产生大功率微 波能量的有磁控管、多腔速调管、微波三、四极 管、行波管等。在目前微波加热领域特别是工业 应用中使用的主要是磁控管及速调管。 2 微波的产生微波的基本性质通常呈现为穿透 、反射、吸收三个特性。而从电子学和物理学观点来看， 微波具有不同于其他波段的如下重要 特点： 3 微波的性质 3.1 穿透性穿透能力就是电磁波穿入到介质内部的 本领，电磁波从介质的表面进入并在其内 部传播时，由于能量不断被吸收并转化为 热能，它所携带的能量就随着深入介质表 面的距离，以指数形式衰减。微波比其它 用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红 外线等波长更长，因此具有更好的穿透性 。3

3、.2 热惯性小微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗 也很低。另一方面，微波的输出功率随时 可调，介质温度升高可无惰性的随之改变 ，不存在“余热”现象，极有利于自动控 制和连续化生产的需要。 3.3 选择性加热加热原理：根据物质对微波的吸收程度,可将物质材料分成导体、绝 缘体和介质。微波不能进入导体内部,只能在其表面反射。 绝缘体可透过微波而对微波吸收很少。介质可透过并吸收微波,介质通常由极性分子组成。介质 分子在微波埸中其极性分子取向将与电场方向一致。当电场 发生变化时,极性分子也随之变化。一方面由于极性分子的 变化滞后于电场的变化,因而产生了扭曲效应而转化为热能 。另一方面介质分子在电场的作用

4、下两极排列,电场振荡,迫 使两极分子旋转、移动,当加速的离子相遇,碰撞摩擦时就转 化为热能。即微波加热机理是通过极化机制和离子传导机制 进行加热。微波加热有如下的特点: (1)选择性加热(2)采取内部加 热的方式，快速高效、能耗低、无污染和易控制。选择性加热物质吸收微波的能力，主要由其介质损 耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微 波的吸收能力就强，相反，就弱。由于各物 质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出 选择性加热的特点。水分子属极性分子，介电常数较大，其 介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能 力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相 对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。P = 2f

5、E2r V tg在微波场电中，介质吸收微波功率的大小P 正比于频率f、电场强度E的平方、介电常数r和 介质损耗正切值tg。内部加热方式 常规加热都是先加热物体的表面，再通过热传 导逐步使中心温度升高（即外部加热)。微波则属于内部加热，电磁能直接作用于介质 分子，转换成热，且透射性能使物料内外介质同 时受热，不需要热传导，而内部缺乏散热条件， 造成内部温度高于外部的温度梯度分布，形成驱 动内部水分向表面渗透的蒸汽压差，加速了水份 的迁移蒸发速度。 3.4 似光性和似声性似光性：当波长远小于物体的尺寸时， 微波的特点和几何光学的相似。似声性：当波长和物体的尺寸有相同量 级时，微波的特点又与声波相近

6、。3.5 非电离性微波的量子能量不大，不足以改变物质 分子的内部结构或破坏分子之间的键。分子原子核在外加电磁场的作用下呈现 的许多共振现象却发生在微波范围，因而 微波为探索物质的内部结构和基本特性提 供了有效的研究手段。 3.6 信息性由于微波频率很高，其可用的频带很宽 ，可达数百甚至上千兆赫兹，这意味着微 波的信息容量大，所以现代多路通信系统 ，包括卫星通讯系统，都是工作在微波波 段。4 微波的应用 雷达和通讯 加热和灭菌 在无机化学中的应 用4.1 雷达和通讯卫星通讯4.2 加热和杀菌*对食物加热的频率:2450 MHz(波长为 12.24cm)的微波。*工业、科学和医学用的频率有 433

7、 MHz 、 915 MHz 、2450 MHz 、5800 MHz 、22125 MHz 。目前国内用于工业加热的常用频率为 915 MHz和2450 MHz 。 灭菌4.3 微波在无机化学中的应用合成催化材料在分子筛催化剂合成方面引入了微波加热方法， 在其它工艺条件相同时，所用时间仅为传统加热方式 的1/30-1/40.合成纳米材料传统纳米材料的制备都离不开加热处理，微波法 则有着传统加热方法无可比拟的优势，制备样品不仅 时间短，而且能够防止晶型的转变以及晶粒间的团聚 。所以易于得到晶粒细小，形状规则而且分布均匀。制备陶瓷材料微波烧结具有突出的优势:节能省时无污染;烧 结温度低、物料受热均

8、匀,致密度高,大大改了材料 性能,产生具有新的微观结构的优良性能的材料。 制备碳材料樊希安等以棉秆为原料,微波辐射氯化锌法制 备活性炭,活化时间6min (为传统方法的1/36) ,产 品吸附性能超过国家一级标准。功能材料制造微波加热技术用于合成沸石分子筛是一种有效 的方法,能大幅度提高合成速度,如NY沸石的合成 从24h 缩短到10min ,同时晶体的粒径得到有效控 制,质量明显改善。此外，微波与一些合成方法结合，可以制备出 性能优良的材料。如，与水热法结合制备出高度 分散的颗粒，并且团聚现象明显的降低；和等离 子结合，事例如下。微波等离子体 化学气相沉积 法制备的新 型 纳米片状碳膜 在C

9、H4和H2的 混合系统中, 利 用石英管型微 波等离子体化 学气相沉积方 法, 在硅片上制 备了新型的长 1um、宽 100nm相互缠 的纳米片状碳 膜.二、等离子体的概念等离子体：又叫做电浆，是由电子、离子等带电 粒子以及中性粒子(原子、分子、微料等)组成的 ，宏观上呈现准中性，且具有集体效应的混合气 体。准中性:在等离子体中的正负离子数目基本相等 ，系统在宏观上呈现中性，但在小尺度上则呈现 出电磁性，而集体效应则突出地反映了等离子体 与中性气体的区别。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、 液、气外，物质存在的第四态 .等离子体与气体的区别普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短 程力，

10、仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才 有明显效果，理论上用分子运动论描述 在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程 力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生 的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动 时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场； 电荷定向运动引起电流，产生磁场电场和磁场要 影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射 和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等 等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物 质的第四态。三、等离子体的分类及获取1. 分 类1.1 按产生方式天然等离子体：宇宙中99. 9%的物质处于 等离子体状态，如恒星星系、星云等。 地球 比较特别，物

11、质大部分以凝聚态形式存在， 能量水平低。人工等离子体: 随处可见的日光灯、霓虹 灯中的放电等离子体等。1.2 按电离度等离子体中存在电子、正离子和中性粒 子等三种粒子。设其密度分别为ne、ni、 nn，定义电离度= ne /( ne + nn )，以此来 衡量等离子体的电离程度， 这时等离子体 可分为以下三类：= ne /( ne + nn )*当= 1时，称完全电离等离子体，如日冕 ，核聚变中的高温等离子体，其电离度是 100%； * 0. 01 5000K时，体系处于热平衡状态，各种粒子 的平均动能都相同，这种等离子体称为热力学平 衡等离子体，简称平衡等离子体；*局域热力学平衡等离子体：就

12、是局部处于热力学 平衡的等离子体；*非热力学平衡等离子体。 1.4 按系统温度分类高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体是高于10000的等离子体，如 聚变、太阳核心。高温等离子体中的粒子温度 T 108-109K，粒子有足够的能量相互碰撞，达 到了核聚变反应的条件。低温等离子体又分为热等离子和冷等离子体 两种。热等离子体是稠密气体在常压或高压下电 弧放电或高频放电而产生的，温度也在上千乃至 数万开，可使分子、原子离解、电离、化合等。 冷等离子体的温度在100-1000K之间，通常是稀 薄气体在低压下通过激光、射频或微波电源发辉 光放电而产生的。1.5 按产生方法和途径分类除自然界本身产生的

13、等离子体外，人为发生 等离子的方法主要有气体放电法、射线辐射法、 光电离法、热电离法、冲击波法等。其中化工中 最为常见的是气体放电法。 根据所加电场的频 率，气体放电可分为直流放电、低频放电、高频 放电、微波放电等多种类型；根据其放电形式又 可分为电晕、辉光、弧光等离子体等；根据气压 可分为低压等离子体和常压等离子体。2 等离子体的产生方法和原理 获得等离子体的方法和途径多种多样，其中 宇宙星球、星际空间以及地球高空的电离层等属 于自然界产生的等离子体。这里只讨论人为产生等离子体的主要方法和 原理。一般说来，电离的方法有如下几种： 光、X射线、射线照射：通过光、X射线、射线的 照射提供气体电离

14、所需要的能量，由于其放电的起 始电荷是电离生成的离子，所形成的电荷密度通常 极低。 辉光放电：从直流到微波的所有频率带的电源产 生各种不同的电离状态。辉光放电法所产生的低温 等离子体在薄膜材料的制备技术中得到了非常广泛 的应用。 燃烧：通过燃烧，火焰中的高能粒子相互之间发 生碰撞，从而导致气体发生电离，这种电离通常称 之为热电离。另外，特定的热化学反应所放出的能 量也能够引起电离。 冲击波：气体急剧压缩时形成的高温气 体，发生热电离形成等离子体。 激光照射：大功率的激光照射能够使物 质蒸发电离。 碱金属蒸气与高温金属板的接触：由于 碱金属蒸气的电离能小，当碱金属蒸气 接触到电离能大的金属时，电

15、离容易发 生。 微波激发等离子体：用微波加热激发产 生等离子体。3 等离子体的性质 等离子体的性质常取决于以下因素：等离子体的组分，如原子、分子、离子 、电子、化学基团等。粒子所处的状态，如中性态、激发态、 电离态、活化的分子及自由基。各种粒子数密度，即单位体积中的粒子 数。各种粒子的温度。如果电子和离子的 温度相等，称为平衡态等离子体；反 之，是非平衡态等离子体。 等离子体所处的环境，如电场强度、 磁场强度、电极结构、气流、放电容 器等。 各种因素的作用时间。应用取决于它 的性质和状态。 等离子体的应用取决于它的性质和状态 四、四类等离子体反应1. A(s)+B(g)C(g) 选择合适的气体

16、, 其等离子体与固体表面 物质发生反应, 生成挥发性气态物质除去, 这就是等离子体刻蚀。 选用不同气体的等离子体，几乎可刻蚀所 有材料，刻蚀的分辨率高 1.母体分子CF4在高能电子的碰撞下分解成 多种中性基团或者离子 CF4 CF3, CF2, CF, F,C以及他们的离子 2.这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下 到达SiO2表面，并在表面发生化学反应生产过程中， CF4中掺如O2，这有利于提 高Si和SiO2的刻蚀速率e光刻胶刻蚀首先，使光刻胶 层顶部曝光形成 图形。第二步， 将光刻胶暴露在 含硅的气体中使 光刻胶被硅化。 最后一步,用氧等 离子体把光刻胶 各向异性地刻蚀 掉。 2. A(g)+B(g)C(s)+D(g) 两种以上的气体在等离子状态下相互反应 ，产生的固体物质以薄膜的形式沉积在基 片上，这就是等离子体化学气相沉积（ PCVD）。其过程大概包括：反应气体 向固体表面的扩散；反应气体吸