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等离子体科学与技术

2017-05-15 作者: admin

  等离子体是物质存在的第四种形态,处于比气态更高的能量状态。等离子体是由电激发(电离化)的非常活泼的气体。等离子体中存在下列物质:处于高速运动状态的电子、处于激活状态的中性原子、分子、原子团(自由基)、离子化的原子、分子、分子解离反应过程中生成的紫外线、未反应的分子、原子等,但物质在总体上仍保持电中性状态。等离子体的特点是被启动了的原子、分子、中子、离子、电子、官能团等物质,由高能状态转回到较低的并更稳定的能量状态时,发射可见辉光放电。与一般气体的区别是等离子体是一种良导体,并受磁场的影响。

广东11选5开奖记录  等离子体存在的温度范围和压力范围很大。冷等离子体也叫低温等离子体,它的特点是大量气体温度不超过60℃。冷等离子体是非常平衡的等离子体,具有粒子密度低(1010 ~1012 particles/cm3)的特点,操作压力在1~10-4mbar条件,等离子体整体温度不超过400°K(127℃ ),即使温度最敏感的塑料件处理起来也是很安全的。

  低温等离子体中粒子的能量一般约为几个至几十个电子伏特,大于聚合物材料的结合键能(几个至十几个电子伏特),完全可以破裂有机大分子的化学键,从而形成新键,提供进一步改性处理的场所。但又远低于高能放射性射线,只涉及材料表面,不影响基体的性能。在外部电场、磁场的影响下,存在多种基元过程和等离子体与固体表面的相互作用,可以在材料(金属、半导体、高分子材料)表面引起刻蚀、氧化、还原、裂解、交联和聚合等物理、化学反应,对材料表面进行改性。这些改性在不损伤基体的前提下,赋予材料表面新的性能, 如亲水性(或疏水性)、可染性、粘接性、耐磨性、抗静电性及生物相容性等等。这种技术尤其适用于天然高分子材料(棉、毛、丝、麻)和合成高分子材料(化纤、塑料、合成橡胶等),因而在材料、化工、电子、印刷、纺织、制造、医疗、生物技术等领域有广泛的应用。

等离子体科学

  等离子体科学是二十世纪形成和发展的新兴学科:等离子体物理(1927年);等离子体化学(1967年);等离子体材料科学(1988年)。科学技术是第一生产力,等离子体科学的迅速发展促进了等离子体应用技术在各个工业领域的日益广泛应用,并正在深刻地改变当代的生产工艺方式。与其他大多数处理工艺不同,等离子体工艺具有可供选用的范围很广的工艺参数。选择不同的工艺参数就会得出不同结果。一种低能耗无污染的干式生产工艺将会逐步取代造成环境恶化的传统加热和湿式化学工艺。例如等离子体镀膜技术能取代传统的电镀和化学镀技术而无须消耗大量化学药品和水资源,不会形成三废而污染环境。等离子体镀膜技术还能形成传统电镀或化学镀技术所不能形成的多种薄膜,极大地开拓了镀膜技术。作为一种绿色(无环境污染)加工技术,对全世界的高技术工业发展和许多传统工业的改造都有直接影响。最有代表性的例子是微电子工业中等离子体加工技术的应用。1995年微电子工业的全球销售额已达1400多亿美元,当时统计微电子器件的制造工艺中有40%使用了等离子体加工技术。1998年IBM公司已推出0。25微米线宽的芯片,2007年Intel公司最新芯片线宽减少到45纳米。当前IBM和日立公司正在合作研发32纳米线宽新工艺。在超大规模集成电路的生产中,光刻(X光刻或电子束光刻)和等离子体刻蚀是两个最关键的工艺流程。科学家预测:二十一世纪等离子体加工技术会有新的巨大突破,在半导体工业,聚合物薄膜,材料防腐蚀,等离子体电子学,等离子体材料合成,等离子体冶金,等离子体煤化工,等离子体三废处理等领域的市场每年达数千亿美元。

  等离子体可由多种方法产生。由电能激励气体形成等离子体最为简单和经济。按提供电能频率的不同而分为直流(DC)等离子体,交流(工频)等离子体,高频(HF)等离子体,射频(RF)等离子体和微波(MW)等离子体。微波等离子体技术是近三十年来才发明和发展起来的等离子体最新最前沿的科学技术。随着民用微波炉工业的迅速发展和大规模生产,作为微波功率源(微波发生器)的自激励振荡源的磁控管性能好、价格低、效率高(70%以上),微波功率源不用功率放大器、电路简单可靠、成本低、能耗少,使微波等离子体装置的制造成本和运行费用显著下降,有很好的工程经济性。

  科学研究表明微波等离子体具有无电极、大面(体)积、低能耗、高效率和低成本等多种优点,比之其它电激励类型的等离子体有更高的活性。微波等离子体的运行气压很宽,从10-3Pa(微波ECR等离子体)到超过大气压(微波等离子体炬)。并且装置的等离子体发生室和处理室可分可合,工艺的灵活性大。无电极放电避免了等离子体对处理物的损伤。所以微波等离子体有着广泛的应用,特别适用于新材料(包括薄膜,纤维,粉末以及高性能复合材料等)的制备,金属制品的表面强化和防腐蚀,纺织品的后整理,高聚物聚合及其表面改性,微电子器件及高功率电子器件和光电子器件的制造,纳米材料的制备和器件的开发,高效照明光源和紫外光源的开发,有毒有害气体的分解净化及其它三废处理等多个工业技术领域。例如微电子器件的等离子体加工工艺绝大部分都是用微波等离子体设备来实现的。光学级和微电子级的金刚石薄膜通常也是用微波等离子体化学气相沉积工艺来制备的。光纤的制造和平面光波导器件加工也是用微波等离子体技术来实现的。等等。微波等离子体在高技术产品的等离子体加工技术中将越来越起到主导作用。

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