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1、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William Erookes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
2、=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
3、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 ECRMOPECVD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
4、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
5、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
6、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
7、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等离子体参数-密度和温度,
