第2章 等离子体与材料的相互作用
激光与等离子体相互作用的研究
激光与等离子体相互作用的研究激光技术近年来在众多领域中得到广泛应用，其中之一就是与等离子体相互作用。
等离子体是一种由电离的气体分子和自由电子组成的高度激发态物质，具有独特的物理性质。
激光与等离子体的相互作用不仅对于基础物理研究具有重要意义，还在激光制造、等离子体医学和聚变能源等方面有着广泛应用。
激光与等离子体相互作用的过程非常复杂。
首先，当激光束照射到等离子体上时，激光的能量被等离子体吸收，导致等离子体的电离程度增加。
这个过程被称为光电离。
激光的能量可以通过一个或多个电子吸收，从而使电子跃迁到更高的能级。
这些高能级的电子会激发等离子体中的其他粒子，形成一系列复杂的等离子体激发态。
其次，激光与等离子体相互作用还会产生等离子体动力学效应。
激光束照射到等离子体表面时，激光的能量可以引起等离子体的电子和离子流动，产生电场和磁场效应。
这些效应可以用来控制等离子体的运动和形态，从而实现等离子体加热、激发和控制。
另外，激光与等离子体相互作用还可以产生等离子体中的非线性效应。
非线性效应在强激光作用下显现出来，包括激光增益降低、激光穿透深度减小、激光波长变化等现象。
这些非线性效应对于激光与等离子体的相互作用机制有着重要影响。
激光与等离子体相互作用的研究不仅有理论意义，还有实际应用价值。
在激光制造领域，激光与等离子体相互作用可以用来进行材料加工和表面改性。
通过调节激光参数和等离子体性质，可以实现对材料的微观结构和性能的精确控制。
这种技术已经被广泛应用于电子元器件、光学器件和航空航天制造等领域。
此外，激光与等离子体相互作用还在等离子体医学中发挥重要作用。
激光可以用来治疗肿瘤、促进创伤愈合和改善皮肤状况。
激光照射到患者身体上的等离子体激发了一系列生物化学反应，从而达到治疗和修复的效果。
最后，在聚变能源领域，激光与等离子体的相互作用对于实现可控核聚变具有重要意义。
激光束可以用来加热和挤压等离子体，从而实现聚变反应的发生。
等离子体鞘层(PPT-78)
ni ns const
-V0
负脉冲 高压电源
dE dx
4ens
E(x) 4ens x
(x) 2ens x2
1/ 2
s
lDe
2V0 Te
Linear electric fielld Sheath thickness
(b) Child law-sheath In the steady state, the ion-matrix sheath is not self-
Plasma potential
3、直流偏压鞘层
在一些等离子体工艺中，通常在基片或靶上施加直 流负偏压，如物理气相沉积（溅射）合成薄膜工艺。
离子
直流偏压电源 溅射靶
基片
鞘层模型 (与悬浮鞘层的基本方程相同）：
ni ( x )ui ( x ) n0u0
1 2
M i ui2 ( x )
e( x)
Chinese Phys. Lett., 17, 586 (2000); Thin Solid Films 390, 107 (2001); Int. J. Mod. Phys B 16, 1120（2002）
(a) 沉积偏压为-60V
(b) 沉积偏压为-160V
偏压对N-C薄膜的表面形貌的影响
Deposition rate (nm/s)
d dx
(M
iu
2
/
2)
e
d dx
M
iu
其中是离子与中性粒子的电荷交换碰撞频率。
碰撞效应对Child law 的影响？
4、负脉冲偏压鞘层
Why use the pulse bias-voltage?
在合成绝缘膜工艺中, 为了有效地中和缘靶表面 的电荷积累, 通常靶表面上施加约1千伏左右的负脉 冲偏压。 特别是在Plasma Source Ion Implantation (PSII)工艺中，负脉冲偏压可高达几十千伏。
等离子体技术在材料科学中的应用
等离子体技术在材料科学中的应用等离子体技术对材料科学的应用等离子体技术是一种近年来不断发展的前沿科技，拥有许多应用领域。
在材料科学领域中，等离子体技术的应用十分广泛，从材料表面处理到材料制造，都有非常重要的角色。
本文将探讨等离子体技术在材料科学中的应用。
1. 等离子体技术的基础等离子体是一种被电离的气态，其中存在带正电荷和负电荷的离子和自由电子。
当物理学家利用电场或激光束将气体电离，就可以得到等离子体。
等离子体本身具有电磁性和化学性，因此它在材料科学中的应用非常广泛。
2. 等离子体在材料表面处理中的应用等离子体在表面处理中的应用可以改变表面性质，提高表面的光辐射、耐磨性、表面活性等。
例如，在航空航天中，表面处理可以有效地抑制材料表面的氧化和腐蚀。
等离子体处理可以用于金属、聚合物、陶瓷等多种材料表面的改性，从而提高材料的耐久性和性能。
此外，利用氧化等离子体可以制备环保材料，健康饮食中的保鲜保质膜、聚合物涂层等，也可以在纺织品防水、防油方面得到广泛应用。
可以看出，等离子体在材料表面处理中的应用十分广泛，已经成为了材料科学中不可或缺的一部分。
3. 等离子体在涂层中的应用涂层技术是材料科学中的一个非常重要的领域。
涂层可以保护材料、防止腐蚀。
在利用等离子体制备涂层的过程中，通过精确地控制反应参数，可以得到所需的特殊结构、化学成分等性质。
例如，在汽车制造过程中，利用等离子体制备的涂层可以提高涂层的耐磨性、耐腐蚀性和美观性。
在能源领域，等离子体涂层技术可以制备太阳能电池材料，提高太阳能电池的效率。
在医药领域，等离子体制备的涂层可以改善人工枕头、衣服等纺织品的性能。
4. 等离子体在材料制造中的应用等离子体在材料制造中的应用不仅可以提高材料的性能，还可制备一些新型材料。
例如，等离子体化学气相沉积是制备纳米颗粒薄膜的关键技术之一，利用该技术制备的纳米材料可以在光、电、磁等方面表现出很好的性质。
需要注意的是，等离子体在材料制造过程中的应用还需要考虑许多因素，如成本、制备过程的复杂性、可扩展性、环境问题等。
第2章等离子体基本概念
几种平均碰撞时间的数量级：
ee :ii :ie 1: mi / me : mi / me
平均碰撞频率
ee :ii :ie mi / me : mi / me :1
库仑相互作用短程部分所造成的碰撞过程的时间 尺度与库仑相互作用长程部分所造成集体运动的 等离子体振荡周期相比较：
2.2 等离子体的基本性质与定义
1. 电荷屏蔽现象与等离子体准电中性 电荷屏蔽现象： 等离子体是由大量带电粒子组成的多粒子体
系。 与中性气体根本区别:两个带电粒子之间是 长程的库仑作用，由于周围大量带电粒子 的存在，会出现电荷屏蔽现象，这是等离 子体的重要特征之一。
在等离子体中考察任一个带 电粒子，由于它的静电场作 用，在其附近会吸引异号电 荷的粒子、同时排斥同号电 荷的粒子，从而在其周围会 出现净的异号“电荷云”， 这样就削弱了这个带电粒子 对远处其他带电粒子的作用， 这就是电荷屏蔽现象。因此 在等离子体中，一个带电粒 子对较远处的另一个带电粒 子的作用，就不再是库仑势，
ee / pe 1
pe 1/ pe
等离子体中的碰撞过程比等离子体集体振荡过程 慢得多。说明等离子体的特性是以集体效应为主。 实际上，在短程碰撞引起等离子体性质改变的时 间尺度内，就能出现各种等离子体集体现象(如等 离子体波、不稳定性等)，因而在多数场合，这种 短程碰撞影响都可忽略。
等离子体定义（统一的 ）
电子等离子体振荡 因为这种振荡是1920 年朗缪尔(Langmuir) 发现的，所以又称朗 缪尔振荡．
电子等离子体振荡频率
离子当成均匀分布的正电荷背景，振荡是电子受
等离子刻蚀原理
等离子刻蚀原理
等离子刻蚀是一种常用的微纳加工技术，用于在半导体制造中去除杂质、形成纳米结构以及精确地刻蚀表面。
其原理基于等离子体（即带正电荷的高能离子和自由电子）与被刻蚀材料表面发生相互作用。
在等离子刻蚀过程中，首先需要产生等离子体。
这通常是通过将高纯度的气体（如氯气、氟气、苦味气等）引入到封闭的真空室中，并在高能电场和电弧场下对气体进行激发。
这种激发将气体分解成离子和电子，并形成带电的等离子体。
然后，这些带电的等离子体会被加速，并通过电场和磁场的调控，使其定向地撞击到待刻蚀材料表面。
撞击过程中，离子会传递给待刻蚀材料表面一部分能量，并激发该材料表面原子或分子的束缚电子。
这些激发的表面原子或分子可能会离开其原子或分子固定位置，形成反应产物，然后通过扩散和抛射的方式迁移到其他位置。
与此同时，撞击后的原子或分子释放出来的电子也会在等离子体中传递，并参与到一系列的电子和离子反应中。
这些反应将控制刻蚀速度、形状、深度和表面粗糙度等参数。
此外，通过调节激发条件、等离子体密度、控制气体的种类和流量等因素，可以对刻蚀过程进行精确控制，实现不同的刻蚀效果和图形。
总的来说，等离子刻蚀原理是利用带电的等离子体与待刻蚀材料表面相互作用，通过离子和电子的传递和相互反应，实现对
材料表面的精确刻蚀。
这种技术在半导体制造、光学器件制造和微纳加工领域具有广泛的应用。
等离子体中粒子间的相互作用(最全版)PTT文档
二.等离子体中粒子间的相互作用
第三种类型: 定义：等离子体是由电子、离子以及中性粒子组成的混合气体，也称为物质的第四态 。
电子跟离子相碰撞而变成中性粒子的过程称为复合。 以二个氘核在高温下聚变为氦核的反应为例： 等离子体中粒子间的相互作用 从课题的选择到论文的最终完成，韩老师都始终给予我耐心的指导和不懈的支持。 以二个氘核在高温下聚变为氦核的反应为例： 它是电离的逆过程,根据复合时多余能量的消失方式可分为三种类型。 等离子体中的电子、离子以及中性粒子之间发生着各种类型的相互作用。 从上述方程中可解出第一种粒子碰撞后的速度 : 本论文是在我的导师韩久宁老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。 等离子体中粒子间的相互作用 等离子体中粒子间的相互作用 等离子体中粒子间的相互作用 一个原子或分子通过跟其它粒子碰撞(包括光子)，吸收能量，并使其中的一个电子由低能级跳到较高能级，这个过程称为激发。 以二个氘核在高温下聚变为氦核的反应为例： 电子跟离子相碰撞而变成中性粒子的过程称为复合。 碰撞过程中粒子的总动能保持不变，碰撞粒子的内能不发生变化，也没有新的粒子或光子产生，只改变粒子的速度，这种类型的碰撞 称为弹性碰撞。 原来静止的靶粒子通过碰撞后获得的动能为：
二.等离子体中粒子间的相互作用
4.电荷交换:
二.等离子体中粒子间的相互作用
5.电子吸附：
二.等离子体中粒子间的相互作用
6.核聚变反应
当两个离子在一定条件下相互碰撞时会发生 核反应，形成一个新的质量较重的核。这个过程 就是核聚变反应。
核聚变反应是由两种轻核结合成一个重核， 同时释放出巨大能量的变化过程。以二个氘核在 高温下聚变为氦核的反应为例：
等离子体中粒子间 的相互作用
主要内容
等离子体 等离子体中.定义：等离子体是由电子、离子以及中 性粒子组成的混合气体，也称为物质的 第四态 。
等离子体物理学研究高能粒子与物质相互作用
等离子体物理学研究高能粒子与物质相互作用等离子体物理学是研究等离子体的性质及其相互作用的学科，而高能粒子与物质的相互作用则是等离子体物理学中的一个重要研究领域。
本文将探讨高能粒子与物质相互作用的基本原理、实验方法和应用前景。
一、基本原理在等离子体中，电子和离子被解离成高能带电粒子，形成一个电离的气体。
当高能粒子与等离子体相互作用时，会发生能量损失、激发和电离等过程。
具体而言，高能粒子与等离子体中的电子发生散射作用，使其动能减小；高能粒子还可以激发等离子体中的原子或分子，从而改变其能级分布；此外，高能粒子还能够发生电离作用，将电子从原子或分子中完全抽离。
通过研究这些相互作用过程，可以深入了解等离子体的性质和行为。
二、实验方法目前，研究高能粒子与物质相互作用主要采用以下实验方法：1. 加速器实验：利用加速器产生高能粒子，通过将其引导到物质样品中，观察粒子与物质的相互作用过程。
这种方法具有实验条件可控、粒子束能量可调和实验重复性好的优势。
2. 等离子体实验：通过利用等离子体技术，将物质样品激发成等离子体，并注入高能粒子束，以模拟高能粒子在等离子体中传输和相互作用的过程。
这种方法可以更加直接地观察到粒子与等离子体的相互作用，有助于研究等离子体的特性和动力学过程。
3. 数值模拟：通过建立物理模型和计算模拟方法，预测和模拟高能粒子与物质相互作用的过程。
这种方法可以对实验结果进行解释和验证，同时为实验设计和数据分析提供参考。
三、应用前景高能粒子与物质相互作用在许多领域具有重要的应用前景。
以下是其中的几个方面：1. 肿瘤治疗：高能粒子束在肿瘤治疗中具有很好的效果。
通过精确控制高能粒子在人体组织中的射程和能量沉积，可以实现对肿瘤细胞的高度杀伤，减少对正常组织的损伤。
2. 等离子体工程：等离子体技术在材料加工、能源研究和环境治理等方面有广泛应用。
研究高能粒子在等离子体中的输运和相互作用过程，有助于优化等离子体工程的设计和应用效果。
表面等离子体共振与光与物质相互作用
表面等离子体共振与光与物质相互作用表面等离子体共振是一个非常有趣且广泛研究的领域，它涉及到光与物质之间的相互作用。
在过去的几十年里，科学家们对这一现象进行了深入研究，并取得了令人瞩目的成果。
在物理学中，等离子体是指具有带电粒子的气体或液体。
而表面等离子体则指的是只存在于物体表面附近的带电粒子。
当光照射到物体表面时，其能量会被传递给这些带电粒子，从而引发共振现象。
表面等离子体共振通常发生在光的波长与物体表面带电粒子的振荡频率相匹配的情况下。
这种频率匹配导致了光的能量被高度聚集和放大，从而增强了光与物质之间的相互作用效应。
要理解表面等离子体共振的机制，我们需要了解物体表面的电磁场分布。
在表面等离子体共振条件下，存在一个表面等离子体波，这个波沿表面传播并传递能量。
与常规光波不同的是，表面等离子体波的传播取决于物体的介电常数和金属的电导率。
因此，通过调控物体的电学性质和几何形状，我们可以控制表面等离子体共振的发生与性质。
表面等离子体共振在很多领域都有重要的应用。
最常见的应用是在传感器技术领域。
通过将感光层或金属纳米颗粒等纳米结构引入等离子体共振传感器中，我们可以实现对特定物质的高灵敏度检测。
这是因为当目标物质接触到传感器表面时，它会改变表面等离子体共振的频率，从而引起光的吸收和散射模式的变化，实现对目标物质的检测。
此外，表面等离子体共振还被广泛应用于光子学领域。
通过控制金属纳米颗粒的形状和排列，可以调控表面等离子体共振的频率和强度。
这种能量和光的局域化效应可以用于增强光与物质之间的相互作用。
例如，通过将荧光染料附着在金属纳米颗粒表面，可以实现高效的能量转移和增强荧光信号。
这种技术被广泛用于生物成像和传感应用中。
此外，表面等离子体共振还可以用于实现超透镜效应。
超透镜是一种能够将光聚焦到远低于传统光学系统的尺寸尺度的镜头。
通过设计金属纳米结构，可以实现对表面等离子体波的聚焦和控制。
这种方式可以克服传统光学系统的分辨率限制，并在纳米尺度下实现超分辨率成像和操控。
等离子处理原理
等离子处理原理
等离子处理是一种常用的表面处理技术，它通过生成等离子体来改变材料的表面性质。
等离子体是由气体或液体中的原子或分子通过加热、激发或电离等方式获得的带电粒子。
在等离子体处理过程中，材料表面暴露在等离子体中，等离子体中的带电粒子会与表面相互作用，从而改变材料的化学组成和物理性质。
等离子体处理的原理主要涉及两个方面：等离子体激发和表面反应。
等离子体中的带电粒子可以通过碰撞、俄歇过程或辐射跃迁等方式将能量传递给材料表面，使其激发或电离，从而改变其性质。
同时，等离子体中的带电粒子也可以与材料表面发生化学反应，例如氧化、还原、硝化和氮化等反应，从而形成新的化合物或改变材料的化学组成。
等离子体处理的原理基于带电粒子与材料表面的相互作用，因此选择合适的等离子体源和操作参数非常重要。
常见的等离子体源包括氩气、氧气、氮气等，通过调节气体流量、压力和电场强度等参数可以控制等离子体的性质和能量。
此外，材料的性质和表面结构也会影响等离子体处理的效果，例如材料的导电性、表面形貌和化学组成等。
综上所述，等离子处理是一种利用等离子体与材料表面相互作用改变材料性质的技术。
通过调节等离子体源和操作参数，可以控制等离子体的能量和化学活性，实现对材料的精确处理。
等离子体鞘层(PPT-78)
(a) 沉积偏压为-60V
(b) 沉积偏压为-160V
偏压对N-C薄膜的表面形貌的影响
Deposition rate (nm/s)
第二章: 等离子体鞘层 (Plasma Sheaths) 1、Why study plasma sheaths? 2、Floating sheaths 3、Direct-current (DC) biased sheaths
4、Pulse biased sheaths
5、RF biased sheaths
基本方程 （无碰撞）：
离子流密度守恒： 离子能量守恒：
电子密度： Poisson equation：
ni (x)ui (x) n0u0
1 2
M iui2 ( x)
e( x)
1 2
M iu02
ne (x) n0 exp[e(x) / Te ]
d 2(x) dx2
4ene (x)
ni (x)
d 2(x) dx2
1、研究鞘层的重要性
在等离子体合成薄膜及等离子体刻蚀工艺中，通 常在基片上施加一偏压（直流、射频或脉冲偏压）， 从而在基片附近形成一非电中性的区域，即plasma sheath。鞘层电场直接控制着入射到基片上的离子能 量分布和角度分布，从而影响等离子体的工艺过程。
PLASMA Sheath Substrate (Workpiece)
(1) Etching rate (2) Profiles of etched troughs (3) Charging effects
纳米材料与等离子体相互作用的研究
纳米材料与等离子体相互作用的研究近年来，随着纳米技术的不断发展和应用，纳米材料在各个领域中的应用也日渐广泛，如纳米电子、纳米药物、纳米传感器等。
然而，随着研究的深入，人们也逐渐发现，纳米材料与等离子体相互作用的研究也变得越来越重要。
首先，什么是等离子体呢？等离子体是由电离的原子或分子组成的气态物质，其样子类似于气体，但由于其带电性质的存在，具有与普通气体截然不同的特性。
而近年来的研究表明，纳米材料与等离子体相互作用的研究可以为纳米材料的制备和应用提供新思路和新技术。
其次，纳米材料与等离子体相互作用的研究主要包括两方面。
第一方面是纳米材料的等离子体增强作用（plasmon-enhanced）。
纳米材料的表面可以吸收入射光并产生表面等离子体激元，从而增强了纳米材料的光学性能，比如纳米材料的吸收率、荧光强度等。
第二方面是利用等离子体产生的热效应来控制纳米材料的形貌和结构。
通过控制等离子体的加热效应，使得纳米材料表面的结构和形貌发生变化，从而可以实现对纳米材料性能的控制和优化。
那么，纳米材料与等离子体相互作用的研究具体有哪些应用呢？首先，利用纳米材料表面的等离子体增强作用可以实现对光学传感器的控制和优化。
比如，利用金纳米颗粒表面的等离子体增强效应，可以实现对荧光传感器的灵敏度和检测范围的提高。
其次，通过利用等离子体产生的热效应对纳米材料进行形貌控制，可以实现对纳米材料光学性能的优化。
比如，通过利用等离子体产生的高温效应，可以实现对金纳米棒形貌和光学特性的调控，从而实现对其光学特性的优化。
总之，纳米材料与等离子体相互作用的研究具有广泛的应用价值和研究价值。
在未来的研究中，我们可以进一步深入研究纳米材料与等离子体相互作用的机制和特性，探索更多的应用领域和方法，为纳米材料的应用和发展提供更多的技术支持。
第二节激光与等离子体相互作用优质PPT
等离子体点燃时间
什么时候产生等离子体？
激光焊接中的光致等离子体
得出：环境压力降低时，工件表面的等离子体数量减少，熔深增加且达到饱和熔深。
1、袁钢等人(1988)归纳了国外的大量实验数据， 激光焊接中的光致等离子体
等离子体通过多种机制吸收在其中传播的激光能量，使自己的温度升高，电离度增大。
第二节激光与等离子体相互作用
回忆
激光等离子体的产生机理
l 热驱动：高功率激光作用于金属表面，产生蒸汽、 蒸汽易电离、自由电子吸收激光、进一步电离—高 功率+金属
l 光电离：1个或者数个短波长激光光子被环境气体 中的原子吸收，由于光子能量大于电离势—单光子： 紫外；多光子：波长小于1m
l 电子崩或级联电离：环境气体中的自由电子吸收激 光能量，运动速度加快发生非弹性碰撞，产生电子 崩，电子密度呈指数增长---环境气体+长波激光。
z：电离度
激光在等离子体中的传播方程
3、其它
l 密度和速度由流体力学方程给出：质量守恒、动量 守恒和能量守恒
tne,i (ne,iue,i)0
d d tu e n e 1 m e p e m e e(E u e B )e i(u e u i) d d tu i n i1 m i p i m 2 e i(E u i B ) n n e im m i ee i( u e u i)
l 群速度 包含了电子屏蔽、离子屏蔽，消除了积分的发散。
g 而激光焊接则不希望激光能量被等离子体吸收
2 21 /2 pe
传播、吸收、散射、折射
l 相速度 v /k c/(1 /) 短波长激光能够大大提高激光逆韧致吸收效率，由于集体效应的影响，即使波长再短，吸收效率也不会达到1
高分子材料的等离子体表面处理
高分子材料的等离子体表面处理摘要阐述了等离子体表面改性技术的作用原理, 总结论述了等离子体对高聚物表面作用的几种理论, 经低温等离子体处理的高分子材料表面发生多种物理和化学变化,重点介绍了低温等离子体在医用高分子材料、合成纤维材料、薄膜材料中的研究概况和进展。
关键词: 等离子体; 表面改性; 高分子材料;0 引言高分子聚合物材料同金属材料相比具有许多优点, 如密度小、比强度和比模量低、耐蚀性能好、成型工艺简单、成本低廉、优异的化学稳定性、热稳定性好、卓越的介电性能、极低的摩擦系数、良好的润滑作用及优异的耐候性等, 因此广泛应用于包装、印刷、农业、轻工、电子、仪表、航天航空、医用器械、复合材料等行业[1]。
但其应用范围和使用效益往往会受到表面性能的制约,因此常常需按使用目的改善或变换其表面性能，如材料或部件的粘着性，高分子膜的印刷性、透过性等。
1 高分子材料的表面改性高分子材料的各种表面性能的获得取决于材料的表面结构和相关的界面特性，所以高分子材料的界面物性控制是非常必要的。
图1 界面物控技术内容及应用领域图1所示为界面物性控制技术的内容和相关的应用领域。
为了使高分子材料适合各种应用需要，大体上有两类作法。
一类是利用各种表面改性技术产生一个新的表面活性层，从而改变表面、界面的基本特性。
另一类作法是借助功能性薄膜或表面层形成技术在原表面上敷膜。
这两种作法的目的都是为了使材料具有或同时具有几种表面性能。
为此，人们研究开发了许多种可供利用的表面处理技术。
诸如化学湿法处理，利用电子束或紫外线的干式处理，利用表面活性剂的添加剂处理以及采用真空蒸渡的金属化处理等。
本论文主要介绍的等离子体表面处理是利用低压气体辉光放电的干式处理技术。
既能改变表面结构，控制界面物性，也可以按需求进行表面敷膜。
在塑料、天然纤维、功能性高分子膜的表面处理方面有着巨大的应用潜力。
2 等离子体表面改性近年来,随着等离子体技术的不断发展,利用等离子体进行表面改性已成为研究的热点[2 ]。
低温等离子体对材料的表面改性
低温等离子体对材料的表面改性张 波冷等离子体对材料的表面改性,通过放电等离子体来优化材料的表面结构,是一种非常先进的材料表面改性方法。
冷等离子体的特殊性能可以对金属、半导体、高分子等材料进行表面改性,该技术已广泛应用于电子、机械、纺织等工程领域。
等离子体是“物质的第四态”,它是由许多可流动的带电粒子组成的体系。
等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学参量,其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本参量。
实验室中采用气体放电方式产生的等离子体主要由电子、离子、中性粒子或粒子团组成。
描述等离子体的密度参数和温度参数主要有:电子温度T e、电子密度n e、离子温度T i、离子密度n i、中性粒子温度T g、中性粒子密度n g。
在一般情况下,等离子体呈现宏观电中性,当等离子体处在平衡状态时,n e≈n i=n g。
可以用物理参量电离度η=n e/ (n e+n g)来描述等离子体的电离程度,低气压放电产生的等离子体是弱电离的等离子体(ην1),η=1时,为完全电离等离子体。
等离子体按照其组成粒子的能量大小及热力学性质,可分为高温等离子体和低温等离子体。
高温等离子体中带电粒子的温度可达到绝对温度几千万度到上亿度,如太阳上的核聚变及地球上的热核聚变反应等。
低温等离子体又分为热等离子体(热力学平衡)和冷等离子体(非热力学平衡),其中热等离子体中粒子的能量特别高,通常用于需要高温作业的领域,如磁流体发电,等离子体焊接、切割,等离子体冶炼,等离子体喷涂,等离子体制备超细粉等。
实验室中采用低气压放电产生的等离子体,电子温度T e约为1～10eV(1eV=11600K),而离子温度T i只有数百开尔文,基本上等于中性粒子的温度,所以这种等离子体称为冷等离子体。
正因为冷等离子体的宏观温度与室温相差无几,所以有着重要应用价值,如用于材料的表面改性以及光源等。
对于冷等离子体对高分子材料表面改性的作用机理,一般认为冷等离子体中含有大量电子、离子,激发态的分子和原子、自由基及紫外光等活性粒子,这些粒子的能量大多在0～20eV之间,而高分子材料大多是由C、H、O、N四种元素组成,这些分子之间的键能也多在l～10eV之间,如C-H(413eV)、C-N(219eV)、C-C(314eV)、C=C(61leV)等,恰恰在等离子体的能量作用范围之内,因而等离子体对高分子材料表面改性十分有效,可改变其表面的化学组分和化学结构。
大学化学第二章 物质的相互组织方式—第一节
5.混合物——分散系
把一种或几种物质分 散在另一种物质中就 构成分散体系。其中， 被分散的物质称为分 散相，另一种物质称 为分散介质。 分散介质可以是气体、
P69-76
例如：云，牛奶，珍珠
液体或者固体。
分散体系分类
1. 按分散相粒子的大小分类： 分子分散体系 胶体分散体系 粗分散体系 2. 按分散相和介质的聚集状态分类：
3. 分子热运动的平均速度约 v = 500 m/s ；
4. 分子的平均碰撞次数约 z = 1010 次/秒 。
5. 分子或原子处于不停的热运动
6. 体系存在涨落现象
偏离统计平均值的现象称为涨落现象。
可以证明，在粒子数可自由出入的某空间 范围内的粒子数的相对涨落反比于系统中粒子 数N的平方根。粒子数越少，涨落现象越明显。 分子数目太多，无法解这么多的联立方程。
第二章 物质的相互组织方式
气体、液体、固体、等离子体、液晶 和超临界流体
Nanjing University
1.气体、液体与固体
物质的3种普通状态存在着本质上的区别：
P21-55
气体分子做无规则的运动，一个气体分子这一刻可能 这里，另一刻可能在另一个毫无关联的地方。 而固体和液体则不同，构成固体和液体的分子都在一 个平衡位置附近做无规则运动，虽然他们的运动也是 无规律可言的，但是宏观上遵循统计学规律，可以找 到一个平衡位置。 固体和液体的区别是，固体分子做无规则运动的平衡 位置固定，而液体中每个分子的平衡位置却总是改变 的。
nNO 2 + nN2O4
pV 50.65 103 10.0 10 3 0.204mol 8.314 298 RT
nNO 2 + 2nN2O4 nNO (反应前 ) 15.2 0.330mol 2 46.01 \ nN O 0.330 0.204 0.126mol 2 4 xNO2 nNO 2 0.38 nNO + nN O
低温等离子体工作原理
低温等离子体工作原理低温等离子体是一种特殊的等离子体，其温度通常在室温以下，一般为几十到几百摄氏度。
低温等离子体的工作原理涉及电离、激发和复合等过程。
1. 电离过程：在低温等离子体中，气体分子受到电场的作用，电子从分子中被解离出来，形成正离子和自由电子。
这个过程被称为电离。
电离的产生可以通过不同的方式，如电子碰撞电离、光电离和辐射电离等。
2. 激发过程：在低温等离子体中，电子与分子碰撞时，能量可以转移到分子的内部能级，使分子处于激发态。
分子的激发态具有较高的能量，可以通过辐射或碰撞传递能量给其他分子。
这个过程被称为激发。
3. 复合过程：在低温等离子体中，正离子和自由电子可以发生碰撞，重新组合成中性分子或原子。
这个过程被称为复合。
复合过程通常伴随着能量的释放，可以通过辐射或热传导等方式传递给周围的物质。
低温等离子体的工作原理可以通过以下几个方面来解释：1. 等离子体激发态的产生：低温等离子体中，电子与分子碰撞时，能量可以转移到分子的激发态能级上。
这些激发态能级具有较高的能量，可以通过辐射或碰撞传递能量给其他分子。
这个过程可以通过外加电场、辐射源或电子束等方式来实现。
2. 等离子体的维持：低温等离子体需要一定的能量输入来维持其电离状态。
这个能量可以通过外加电场、电子束或辐射源等方式提供。
在维持过程中，需要控制能量输入的大小和方式，以保持等离子体的稳定性。
3. 等离子体与物质的相互作用：低温等离子体可以与物质发生相互作用，例如表面处理、材料改性和化学反应等。
等离子体与物质的相互作用可以通过调节等离子体的参数（如温度、密度和成分）来实现。
这种相互作用可以改变物质的表面性质、增强材料的附着力、改善材料的导电性等。
4. 等离子体的应用：低温等离子体具有广泛的应用领域，包括材料加工、表面处理、环境治理和生物医学等。
例如，在材料加工中，低温等离子体可以用于薄膜沉积、离子注入和等离子体刻蚀等。
在环境治理中，低温等离子体可以用于废气处理、水处理和固体废物处理等。
氧等离子体处理的原理解析
氧等离子体处理是一种常用于材料表面处理的技术，它在科学研究和工业应用中都扮演着重要的角色。
本文将深入探讨氧等离子体处理的原理，从物理原理、化学反应以及应用案例等方面进行解析。
通过阅读本文，希望您能够对氧等离子体处理有更全面、深刻和灵活的理解。
第一部分：物理原理氧等离子体处理是一种利用氧等离子体与材料表面相互作用的加工技术。
氧等离子体是一种带正电荷的氧离子，通过高频电离氧气产生。
在氧等离子体处理过程中，氧等离子体与材料表面相互作用，引发一系列物理现象。
其中最重要的是表面清洁、表面活化和表面改性。
氧等离子体处理技术能够对材料表面进行有效的清洁。
在等离子体激发下，氧离子能够高速碰撞到材料表面，将吸附在表面的杂质和污染物清除掉，从而使得表面更加干净。
氧等离子体处理技术还能够对材料表面进行活化处理。
活化处理可以增加表面的能量和反应活性，提高材料与其他物质的粘附性和反应性。
具体而言，等离子体处理技术可以破坏材料表面的化学键，形成活化位点，进而提高表面的催化活性和化学反应速率。
氧等离子体处理技术还可用于表面改性。
通过控制等离子体处理条件，可以在材料表面形成氧化物薄膜、氢氧化物薄膜等功能性膜层。
这些膜层具有特殊的化学、物理性质，可以改变材料表面的摩擦系数、耐腐蚀性、光学透过性等特性，从而实现材料的特定应用需求。
第二部分：化学反应在氧等离子体处理过程中，不仅发生了很多物理现象，还涉及到化学反应。
氧等离子体可以与材料表面的原子、分子反应，产生一系列化学反应。
氧等离子体处理过程中会引发材料表面的氧化、氮化、硅化等反应。
这些化学反应对于改变材料表面的化学组成，调控材料性质至关重要。
另外，氧等离子体处理还可用于材料的功能性改性。
通过在等离子体处理过程中掺入特定的气体或液体，可以实现对材料表面化学组成的调控，进而实现对材料性质的改变。
以金属材料为例，通过在氧等离子体处理中引入氮气，可以实现金属表面的硬化和耐磨性的提高，从而扩展金属材料的应用领域。
第2章 等离子体与材料的相互作用
atoms Ion E
2.2、原子的级联运动 、
如果固体中的原子在同入射离子碰撞时获得能量大于某一阈值时， 如果固体中的原子在同入射离子碰撞时获得能量大于某一阈值时，将做反冲运 动。该反冲原子将进一步与其它静止原子发生碰撞，形成新的反冲原子。这样依次 该反冲原子将进一步与其它静止原子发生碰撞，形成新的反冲原子。 下去，形成一系列原子的运动，被称为原子的级联运动。 下去，形成一系列原子的运动，被称为原子的级联运动。如果初始时固体是一个完 美的晶体，那么原子级联运动的结果将在固体表面层产生缺陷或原子的位错。 美的晶体，那么原子级联运动的结果将在固体表面层产生缺陷或原子的位错。经退 产生缺陷或原子的位错 火后，固体表面将会非晶化，从而改变了固体的表面结构。 火后，固体表面将会非晶化，从而改变了固体的表面结构。
2）溅射产额ε的大小:
入射离子能量 轰击离子原子序数 靶材料原子序数 离子入射角 工作气体压强
3） 溅射产额曲线
4）Sputtering Yield for argon ion bombardment at 600 eV
Target Yield Be Al Ti V Cr Fe 0.56A 0.83 0.54 0.55 1.05 0.97 Target Yield Mo Ru Rh Pd Ag Hf 0.54 0.67 0.77 1.32 1.98 0.39 Target Yield Al2O3 SiO2 TiO2 V2O3 Cr2O3 Fe2O3 0.18 1.34 0.96 0.45 0.18 0.71 Target Yield CdS GaAs GaP GaSb InSb SiC 1.2 0.9 0.95 0.9 0.55 1.8
3.4 溅射清洗
用于去除表面的杂质
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1.1.5 化学气相沉积（CVD）的特点
CVD过程可在高温或中温下进行。 CVD过程可在大气压或低于大气压（低压）下进行， 镀层的密度和纯度可控制，镀层的化学成分可改变， 绕镀性好，适用于在复杂形状零件上沉积薄膜。 可形成多种金属、合金、陶瓷和化合物镀层。
1.1.6 化学气相沉积优缺点
优点：设备简单，操作方便，可沉积各种性能的单一镀层或 复合镀层；化学气相沉积适用于处理复杂形状零件；镀层致 密均匀，膜基结合强度较高。 缺点：沉积温度太高，在太高的温度下进行薄膜沉积，会使 工件变形，基体晶粒长大，使基材性能下降。
2.3 离子注入过程的物理问题
1. 注入剂量 注入剂量D表示单位面积上注入的原子数目，对于一定的材料，注入 剂量应处于一定的范围内。注入剂量（dose, fluence），注入深度，取决 于离子能量及材料特性。一般，离子剂量范围从1014/cm2（对于半导体应 用）到接近1018/cm2（对于增强硬度及抗磨损应用）。
等离子体
等离子体
等离子体
鞘层形成
离子注入
鞘层扩展
2.5.2 PIII技术的优点与应用领域
1. PIII技术的优点
全方位注入 批量
2. PIII技术的应用领域
表面强化—工业零件延寿处理 功能薄膜—生物材料，电子材料 半导体—SOI结构，掺杂 生物技术—离子辐照
3、溅射 溅射
plasቤተ መጻሕፍቲ ባይዱa
中性 粒子
离 子
2）溅射产额ε的大小:
入射离子能量 轰击离子原子序数 靶材料原子序数 离子入射角 工作气体压强
3） 溅射产额曲线
4）Sputtering Yield for argon ion bombardment at 600 eV
Target Yield Be Al Ti V Cr Fe 0.56A 0.83 0.54 0.55 1.05 0.97 Target Yield Mo Ru Rh Pd Ag Hf 0.54 0.67 0.77 1.32 1.98 0.39 Target Yield Al2O3 SiO2 TiO2 V2O3 Cr2O3 Fe2O3 0.18 1.34 0.96 0.45 0.18 0.71 Target Yield CdS GaAs GaP GaSb InSb SiC 1.2 0.9 0.95 0.9 0.55 1.8
1.3.5 PACVD的反应室组成
1.3.6 PACVD整体设备结构
2、离子注入
2.1 定义
如果入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临界角， 如果入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临界角 ， 它将 能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列的弹性和非弹性碰撞， 能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列的弹性和非弹性碰撞， 并不断地损失其能量。当入射离子的能量损失到某一定的值（ 约为20 20eV 并不断地损失其能量。当入射离子的能量损失到某一定的值 （ 约为 20eV 将停止在固体中不再运动。上述过程被称为离子注入过程。 左右 ) 时，将停止在固体中不再运动。上述过程被称为离子注入过程。
4. 隧道效应
离子注入基体时，它与基体晶格粒子发生碰撞，如果基体是晶体， 则晶格粒子在空间呈规则排列，入射离子沿晶体的主轴方向注入时， 它们可能与晶格原子发生类似的碰撞，每次碰撞时，离子运动偏转很 小，离子经过晶格同一排原子附近，可以穿透入固体中较深的距离， 这现象称为隧道效应。
2.4 束线离子注入
atoms Ion E
2.2、原子的级联运动 、
如果固体中的原子在同入射离子碰撞时获得能量大于某一阈值时， 如果固体中的原子在同入射离子碰撞时获得能量大于某一阈值时，将做反冲运 动。该反冲原子将进一步与其它静止原子发生碰撞，形成新的反冲原子。这样依次 该反冲原子将进一步与其它静止原子发生碰撞，形成新的反冲原子。 下去，形成一系列原子的运动，被称为原子的级联运动。 下去，形成一系列原子的运动，被称为原子的级联运动。如果初始时固体是一个完 美的晶体，那么原子级联运动的结果将在固体表面层产生缺陷或原子的位错。 美的晶体，那么原子级联运动的结果将在固体表面层产生缺陷或原子的位错。经退 产生缺陷或原子的位错 火后，固体表面将会非晶化，从而改变了固体的表面结构。 火后，固体表面将会非晶化，从而改变了固体的表面结构。
3.7 射频溅射
1）技术需求 绝缘材料的溅射 2）射频溅射原理
3）射频溅射特点
射频溅射的频率一般在5~30MHz，我国定为 13.56MHz 靶材上产生自偏压效应 溅射速率比二极溅射高；可溅射金属及绝缘材 料
3.8 磁控溅射
1）技术需求
高的溅射沉积速率
2）技术原理
1）平面磁控溅射靶
2）圆柱磁控溅射靶
3）非平衡磁控溅射
4) 反应磁控溅射
1）技术需求： 制备化合物薄膜 采用纯金属作为溅射靶材 2）方式： 直流反应磁控溅射 射频反应磁控溅射 中频反应磁控溅射 3）主要问题： 靶材中毒 阳极消失 靶面和电极表面打火
1.1.3 化学气相沉积的化学反应和特点
热分解或高温分解反应: CH3+SiCl3=SiC + 3HCl 还原反应: WF6 + 3H2 =W + 6HF 氧化反应: SiH4 + O2= SiO2 +2H2 水解反应: 2AlCl3+3H2O=Al2O3 +6HCl
1.1.4 化学气相沉积要素
3.2 溅射沉积
3.1 技术需求 被蒸发材料不允许熔化：例如合金、化合物容易烧损。 低温沉积 3.2 定义：用离子轰击靶材表面，靶材的原子从靶材表面被击 出的现象称为溅射，从靶材表面溅射出的原子沉积在基体表 面形成薄膜称为溅射镀膜。
3.3 溅射产额
1)定义： 定义： 定义
指一个入射离子所击出的靶材的原子数，又称为溅射 率或溅射系数。 。
1.2 金属有机化合物化学气相沉积
1.2.1 技术需求
降低沉积温度
1.2.2 MOCVD方法特点：它是把能在低温度下分解
的金属有机化合物作为初始反应物，它的优点是可 在热敏感基体上沉积镀层，它的缺点是沉积速率低、 晶体缺陷密度高、膜中杂质多，气体毒性大。
1.3 等离子体增强化学气相沉积
1.3.1 技术需求
足够高的温度：混合气体中某些成分分解并与基体表面相 足够高的温度 互作用形成化合物必须吸收一定的能量，也就是说，进行 上述过程必须有一定的激活能，这激活能必须由加热基体 表面获得，因而需要足够高的温度。通常CVD的反应温度大 约在900~2000oC，它取决与沉积物的特性。 要有混合气体参加：混合气体主要是惰性气体（如Ar）， 要有混合气体参加 还原气体（如H2），和反应气体（如N2、CH4、CO2、NH3、水 蒸气）；有时采用高饱和蒸气压的液体，如TiCl4、SiCl4、 等，把它们加热到一定温度（< 600C），通过载体氢、氩 与起泡的液体，从供气系统中把上述蒸气带入沉积反应室。
溅 射
二次 电子
原子
3.1 溅射现象
当级联运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大于表面的势垒， 当级联运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大于表面的势垒， 它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就是溅射现象。 它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就是溅射现象。溅射出来的粒子 除了是原子外，也可以是原子团。溅射出来的原子进入鞘层后， 除了是原子外，也可以是原子团。溅射出来的原子进入鞘层后，与鞘层 内的离子碰撞后将发生电离，形成新的离子。 内的离子碰撞后将发生电离，形成新的离子。溅射原子或原子团也可以 穿过鞘层进入等离子体，并捕获等离子体中的电子， 穿过鞘层进入等离子体，并捕获等离子体中的电子，形成带负电的粒子 或粒子团，通常称为“尘埃粒子” 或粒子团，通常称为“尘埃粒子”。尘埃粒子的存在将造成对等离子体 的污染，这对采用等离子体技术制备高质量的薄膜材料是非常有害的。 的污染，这对采用等离子体技术制备高质量的薄膜材料是非常有害的。
1.3.4 等离子体辅助化学气相沉积的缺点
在等离子体中，电子能量分布广泛，在沉积薄膜的过程中可 能产生多种化学反应，致使反应产物难以控制，所以用 PACVD难以获得很纯净的物质。 PACVD沉积温度低，反应过程中产生的其它气体会残留在 薄膜之中。 对于某些脆弱的衬底易造成离子轰击伤。 PACVD相对于CVD而言，其处理价格较高。
2.4.1 束线离子注入的主要要素
注入离子种类 注入离子的能量 注入离子的剂量 离子束流密度 注入温度。 注入温度。
2.4.2 束线离子注入机
低能注入机(100kev以下) 中能注入机(100~300kev) 高能注入机(300kev以上)
2.4.3 束线离子注入技术的优点
非热平衡过程 ，原则上讲，周期表上的任何元素 都可注入任何基体； 注入元素的种类、能量、剂量均可选择，用这种 方法形成的表面合金不受扩散和溶解度的经典热 力学参数的限制，即可得到其它方法得不到的新 合金相；
离子注入层与基体没有明显界面，因此不存在膜的破裂与剥 落问题，膜与基体结合牢固； 离子注入在室温真空下处理，处理后工件无变形、无氧化， 能保持原有的尺寸精度和表面粗糙度，特别适合于高精密零 件的最后处理。 离子注入控制电参量，故容易精确控制注入离子的浓度分布， 此分布也可以通过改变注入能量加以控制。
1.1 化学气相沉积技术
1.1.1 技术需求：
需要材料表面生成一层与基体完全不同的物质 半导体行业，电介质薄膜 生物材料，抗凝血薄膜 传感器：传感薄膜
1.1.2 定义
在一定温度条件下，混合气体与零件基体表面相互作用， 在一定温度条件下，混合气体与零件基体表面相互作用， 使混合气体中某些成分分解， 使混合气体中某些成分分解，并在基体表面形成金属或化合物 薄膜(镀层 的过程. 镀层)的过程 薄膜 镀层 的过程
第二章 等离子体与材料相互作 用
内容
表面吸附 离子注入 溅射 刻蚀 交联 热效应