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等離子體是由氣體分子受熱或外加電場(chǎng)及輻射等能量激發(fā)離解、電離形成的電子、離子、原子(激發(fā)態(tài)或基態(tài))、分子(激發(fā)態(tài)或基態(tài))及自由基等組成的導(dǎo)電性流體。在等離子體發(fā)生器中,除了等電量的正、負(fù)粒子外,還存在許多化學(xué)活性物質(zhì)及其因輻射而發(fā)出的不同波長(zhǎng)的光子。等離子體的能量可通過(guò)光輻射、中性分子流和離子流作用到材料表面。等離子體內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子和中性粒子通過(guò)對(duì)材料的碰撞將其能量直接轉(zhuǎn)移到材料表面,產(chǎn)生加熱、刻蝕、形成自由基、聚合、結(jié)晶與交聯(lián)等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)作用。

等離子體對(duì)材料表面作用的物理過(guò)程

等離子體與材料表面作用的物理過(guò)程主要包括以下幾個(gè)方面:

(1) 解吸:在等離子體與材料表面作用時(shí),可以通過(guò)離子、電子、中性粒子、光子將能量傳遞給被吸附在材料表面的原子或分子,使它們克服吸附力(范德華力或化學(xué)鍵合力)而解吸離開(kāi)固體表面,即離子解吸、電子解吸、中性粒子解吸和光解吸。

(2) 復(fù)合:由于負(fù)電極或由于電子快速轟擊器壁表面,使器壁建立層電位而帶負(fù)電性,帶正電荷的粒子被吸引向負(fù)電性表面運(yùn)動(dòng),這將助長(zhǎng)了電子與正離子的復(fù)合過(guò)程。在三體碰撞中,正負(fù)電性粒子碰撞復(fù)合,復(fù)合中多余的一部分能量由第三者帶走,器壁往往起第三者的作用,并加速了復(fù)合過(guò)程。

(3) 激發(fā):入射電子與固體表面的電子碰撞,可使電子激發(fā)到更高的能級(jí)或產(chǎn)生電離。電子入射到固體表面可以產(chǎn)生俄歇電子。光子轟擊固體表面產(chǎn)生光電子發(fā)射。此外,電子還可以激發(fā)固體中電子產(chǎn)生集體振蕩。

(4) 濺射:當(dāng)離子或中性粒子與固體表面作用時(shí),入射粒子的動(dòng)能通過(guò)碰撞將能量傳遞給表面原子,使表面原子獲得超過(guò)結(jié)合能的動(dòng)能而濺射出來(lái)。有些濺射粒子返回固體表面還會(huì)產(chǎn)生自濺射過(guò)程。其效果是降低材料表面的分子量。

(5) 注入:具有一定能量的電子、離子及中性粒子轟擊固體表面,打入固體內(nèi)部與固體內(nèi)原子結(jié)合,引起固體結(jié)構(gòu)的變化,增加材料表面的分子量。

(6) 刻蝕:等離子體中粒子與表面原子或分子結(jié)合生成揮發(fā)性產(chǎn)物,這些產(chǎn)物從表面揮發(fā)掉而造成等離子體在材料表面的刻蝕。

等離子體對(duì)材料表面作用的化學(xué)過(guò)程

等離子體在固體表面的化學(xué)過(guò)程基本上是等離子體中的粒子誘發(fā)表面原子或分子生成新的化學(xué)鍵,或使原來(lái)的化學(xué)鍵斷裂。它包括著固體表面層的化學(xué)反應(yīng)、也包括固體表面與等離子體邊界層的化學(xué)反應(yīng),其具體過(guò)程列舉于下。

(1) 氧化:氧是強(qiáng)的氧化劑。當(dāng)?shù)入x子體中有氧存在時(shí),會(huì)對(duì)材料表面起氧化作用,生成氧化物或過(guò)氧化物。

(2) 還原:氧是還原劑。等離子體中的氧不僅可以使材料表層的氧化物還原,而且往往能滲透到材料較深層,使其氧化物還原,如把金屬氧化物中的金屬還原出來(lái)。

(3) 觸媒:等離子體化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中,由于某種材料(如鉑電極或器壁)的存在,起了對(duì)一些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的促進(jìn)作用。

(4) 分解和裂解:在等離子體作用下,材料表面的分子會(huì)發(fā)生分解,大分子產(chǎn)生裂解,分子鏈斷裂,分子量降低,并產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)。

(5) 聚合:當(dāng)?shù)入x子體中引入單體時(shí),可在材料表面產(chǎn)生聚合反應(yīng)。這種反應(yīng)可以使等離子體條件下生成聚合物而沉積在材料表面,也可以使等離子體誘發(fā)在材料表面產(chǎn)生自由基,然后與單體結(jié)合,結(jié)合的方式有分子鏈發(fā)生交聯(lián)、從側(cè)鏈上接枝或官能團(tuán)置換,以及嵌段聚合等。