微波与等离子体

1.5 按产生方法和途径分类
除自然界本身产生的等离子体外，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。
一、微波的概念
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
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 ”。
四、四类等离子体反应
1. A(s)+B(g)→C(g)
• 选择合适的气体, 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 e 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
3 微波的性质
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：
• 3.1 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。
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。
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，物质大部分以凝聚态形式存在，能 量水平低。 人工等离子体:百度文库随处可见的日光灯、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β= 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：
• 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)
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CH4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 .
的微波。
*工业、科学和医学用的频率有 433 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.
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。
3 等离子体的性质
等离子体的性质常取决于以下因素： ①等离子体的组分，如原子、分子、离子、 电子、化学基团等。 ②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。 ③各种粒子数密度，即单位体积中的粒子 数。
④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。 ⑤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。 ⑥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
β= ne /( ne + nn )
*当β= 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< β< 1时，称为部分电离等离子体，
如大气电离层、极光、雷电等；
* β< 0.01时为弱电离等离子体，如火焰中的
等离子体大部分是中性粒子，带电粒子成 分较少，属于弱电离等离子体。
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。
1.3 按热力学平衡分类
根据离子温度与电子温度是否达到热平衡，可 把等离子体分为三类：
*完全热力学平衡等离子体：当整个等离子体系统
T> 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：就是局部处于热力学
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。
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，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。
• 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。
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。
P = 2πf E2εr V tgδ
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εr和介质 损耗正切值tgδ。
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。
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。
‫۝‬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。
超短波
红外光
2 微波的产生
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 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。
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。