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文檔簡介
等離子體化學與工藝
2021/6/271概述一.等離子體發(fā)展歷程:
1745年萊頓瓶:最原始的電容器。用于儲積大量電荷并獲得高的靜電電位。
1750年本杰明·富蘭克林證實了電的單流體理論。并同時證實了閃電是電的一種形式,并引入了正負極的概念。他發(fā)明了避雷針,因而避免了許多財富和人命的不必要的損失。2021/6/2721808年法拉第在放電和直流放電管的工作狀況的研究。
1906年勞倫茲提出了“電子”術語。在1898年WilliamErookes引入“電離”,用來描述中性原子被擊碎形成電子和離子。2021/6/273基于真空系統(tǒng)的發(fā)展:
1862年真空泵(~10-3Torr)的發(fā)明。
1905年水銀旋轉泵(~10-5Torr)(1atm=760Torr=101325Pa)。
1928年等離子體的定義和研究(湯姆斯和朗繆爾)。
1929年德拜長度(描述等離子體的存在條件)。
1935年旋轉油力泵。1955年油擴散泵。1965年渦輪分子泵。由于真空系統(tǒng)的發(fā)展和能量的給予方式的不斷進步,目前等離子體應用極廣。2021/6/274二.等離子體的定義:
指電離氣體。是由電子離子原子分子和自由基等粒子組成的集合體。其中電子和離子數(shù)相等,對外表現(xiàn)為電中性。2021/6/275三.等離子體的產生方式
1.電場加速電子:直流電場,交變電場(射頻,微波)2.激光誘導3.熱4.爆炸5.雷電(電場)2021/6/276四等離子體的分類1.高溫(上億度)2.熱:焊接,切割(幾萬度)3.等離子體(一千度以下`室溫)2021/6/277聚變電站2021/6/278等離子體焊接與切割2021/6/279五、等離子體技術的應用1.顯示和照明(等離子體電視)2.焊接和切割3.冶煉(高純態(tài),無接觸)4.制粉,制膜①納米材料②5.刻蝕,微細加工(0.5以下用干法)6.環(huán)保應用(笑氣,NO2,CO,SO2)7.表面處理和改性2021/6/2710微波ECR等離子體技術及薄膜制備
ECR-MOPECVD設備2021/6/2711感應耦合離子源增強電子搶鍍膜技術2021/6/2712ICP源和TCP源2021/6/2713ICP離子源氣體放電2021/6/2714第一章
物質的第四態(tài)-等離子體
1.1電離氣體和等離子體1.1.1等離子體的概念
1.物質狀態(tài):固體,液體,氣體,等離子體----物質的第四態(tài)。2.等離子體態(tài):①等離子體是一種導電氣流體:而又能在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內維持電中性。②氣體分子間并不存在凈電磁力,而電離氣體(等離子體)中的帶電粒子間存在庫侖力,因而導致粒子群的種種集體運動。2021/6/2715
③作為一個帶電粒子體系的等離子體,其運動行為會受到磁場的影響和支配。
定義:等離子體就是電離氣體。是由電子離子原子分子和自由基等粒子組成的集合體。說明:①不是任何電離氣體都能算等離子體。②只有當帶電粒子密度達到其建立的空間電荷足以限制其自身運動時,帶電粒子才會對體系性質產生顯著影響,這樣密度的電離氣體才轉變成等離子體。2021/6/27161.1.2等離子體的存在①閃電和極光。②宇宙中,99%以上物質都呈等離子體態(tài)。太陽時一個灼熱的等離子體球。③常見的有:霓虹燈管中的輝光放電,電火花等。
2021/6/27171.2等離子體空間的化學現(xiàn)象
1.2.1化學角度的等離子體1.化學上為使原子或原子團重新組合,就要提供反應所需的活化能-但地球是一個“冷星球”(引申:尋求激活反應體系的新方式)。2.物質有氣態(tài)轉變?yōu)榈入x子體態(tài)時,其化學行為發(fā)生變化-即等離子體空間富集的離子電子激發(fā)態(tài)的原子,分子和自由基。2021/6/27183.輝光放電的氫等離子體:2021/6/2719
注:這些活性物種在通常的化學反應中不易得到,但在等離子體態(tài)都可持續(xù)安全地生產。這種激發(fā)是靠電子動能激發(fā)的,與熱能,光能等激發(fā)方式有所不同,在等離子體中便會顯示出許多特異的化學現(xiàn)象。
③
由一些簡單物質,在無催化條件下,即可得到比較復雜的生成物:
注:這可說明地球上原始大氣是如何合成有機物和氨基酸。2021/6/2720④氮氣等離子體:(氮氣是不活潑的,在很多場合作為保持氣體來使用。如:氧氣活潑,發(fā)生氧化)由等離子體氮可生成許多氮化物:TiN,超硬膜,BN氮化硼,SiN4等。2021/6/2721⑤等離子體中的原子氧與有機化合物的反應:先是奪取烷基中的氫使之氧化,隨著氧化的不斷進行,最終能使有機物分解為CO2和H2O
對有雙鍵的烯烴類也是如此只不過中間還要經(jīng)過環(huán)氧化。
RCH=CH2+O*→RCHOCH2→RCOCH32021/6/2722
原子氧的這種反應被有效地用于高分子材料的表面親水處理或在分析化學中低溫灰化(等離子體刻蝕光刻膠)。
結論:以上反應是在等離子體中的接近室溫的條件下實現(xiàn)的。由于這一特性使得許多通常不能發(fā)生,或需要在極其苛刻條件才得發(fā)生的化學反應變化很容易進行。例如:金剛石的合成P6總結:等離子體----化學相“關聯(lián)形成一門新學科:
等離子體化學
2021/6/27231.2.2等離子體化學的形成
1.放電化學:(P7)碳電極之間作氫氣放電直接合成乙炔等等。2.等離子體:plasma希臘語,“愿意”能構成成型的東西醫(yī)學上作“血漿”,“原物質”講。朗謬爾等發(fā)現(xiàn)電離氣體中存在著荷電粒子持有周期性振蕩,喻之為生命的脈動而稱其為等離子體。2021/6/27243、發(fā)光現(xiàn)象,熱源--發(fā)展到等離子體化學
a、發(fā)光霓虹燈,熒光燈,水銀燈等。
b、熱能:金屬加工,熔融,等離子體焊接,切割,
磁流體發(fā)電,受控核聚變。
c、由于高技術的發(fā)展對新材料新工藝的迫切要求引起了人們對等離子體空間化學現(xiàn)象的廣泛興趣,開始對于等離子體化學能的研究和利用,等離子體化學誕生。2021/6/27251.3.1粒子密度和電離度1、密度:基本成分:電子ne
離子ni
中性粒子ng
一般:ne=ni時,為等離子體密度C
單位是:1010cm-3(立方厘米1010個)
2、電離度:1.3等離子體參數(shù)-密度和溫度
2021/6/2726
α很小時稱為弱電離,α較大時稱弱電離,α=1時叫完全電離
3、帶電粒子間的平均距離l(粒子密度可由帶電粒子間的平均距離求出):若單位體積帶電為N:則N=ne+ni,則:l=N-1/3
2021/6/27274.電子在離子靜電勢場中的平均勢(一階電離而言)2021/6/27281.3.2電子溫度和離子溫度1.溫度:具有統(tǒng)計概念,是:“大量分子的動能的統(tǒng)計量”A、溫度實際上是物質內部微觀粒子平均平動動能的量度.B、在熱力學平衡狀態(tài)下,粒子遵從麥氏分布,且單個粒子平動為:2021/6/2729C、當PE<<KE(庫倫勢位能PE)粒子可看成服從麥氏分布。由于溫度與質量有關,即電子和離子和分子等在熱平衡時要用不同的粒子溫度來描述。即有:電子溫度Te,粒子溫度Ti,中性粒子溫度Tg
。一般來講,等離子體的宏觀溫度取決于重粒子溫度。2021/6/2730D、等離子體溫度單位:電子伏特ev,
記為:
若:因為:KT=1ev=1.6X10-12這時一個ev相當于絕對溫度:T=11600K
用到了:普朗克常量:玻爾茲曼常數(shù):2021/6/27312、由等離子體粒子溫度可將等離子體劃分為兩大類:A、熱平衡等離子體(Thermalplasma),熱等離子體:
實際上,各種粒子的溫度幾乎是相等,組成的接近平衡的等離子體,叫局域熱力學平衡態(tài)(localthermalequilibrium),這時又稱為LTE態(tài)等離子體2021/6/2732B、非平衡態(tài)的plasma:Te>>Ti,一般Te的溫度達1014K以上,而Ti或Tg在300~500K。這時叫低溫等離子體(coldplasma冷等離子體)一般在100Torr(1Torr=133Pa)以下的低氣壓下形成。2021/6/2733注意P11:應消除產生“誤解”.“高溫”,“低溫”①低溫:Te=10ev,約合1x105:.但Ti只有“數(shù)百開”(200~300k)。②高溫:熱核聚變達到上億度。
結論:
在等離子體化學與工藝中,因電子能量變可使分子原子激發(fā),離解和電離,另一方面體系又在低溫下,乃至接近于室溫.這樣化學反應設備投資少,省能源在普通情況下可實現(xiàn)。2021/6/27341.3.3.沙哈方程1、電離平衡:在等離子體中,產生電離同時伴隨著復合。在熱力學平衡態(tài)下,由于電離速率和復合速率相等時的狀態(tài)。在溫度T時,電離度α與電離條件的關系式:沙哈方程(氣體電離電位,P的單位是Torr)2021/6/27352.如Cs銫:電離電位低()的蒸汽①在0.75x10-5Torr的低氣壓,在2000K便全電離。②在1大氣壓下,需要8000K方可全電離。
又如:氬(vi=15.759ev)電離電位高:在0.75x10-5Torr時,在5000K以下幾乎不電離。注意:不同等離子體的密度和溫度值可能懸殊很大。2021/6/27361.4等離子體的準電中性基本特征:維持宏觀電中性。由等離子體屏蔽特性和振蕩特性―――電中性條件的空間尺度和時間尺度。等離子體判據(jù)。
1.4.1概述:1、正離子和電子的空間電荷互相抵消,使等離子體在宏觀上呈現(xiàn)電中性。2021/6/27372、由于熱運動或外界干擾,等離子體內時時處處都有可能出現(xiàn)電荷分離,偏離電中性現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)偏離,這時電荷間的庫侖作用又使電中性盡快的得到恢復。
3、例如;P14:對于R=1cm的小球,突然有萬分之一電子轉出球外,電中性被破壞,球內正電荷過剩,可算出在球心1cm的球面處,電場達。
4、等離子體在“偏離”-“恢復“之間運動著。同時有故謂之為“準電中性”。2021/6/27381.4.2德拜屏蔽與德拜長度
由于擾動使之出現(xiàn)電量為q的正電荷積累。
“電子云”:靜電作用形成“電子云”。這時“電子云”包圍削弱了積累起來的正電荷對遠處帶電粒子的庫侖力。這即是“靜電屏蔽”-“德拜屏蔽”-從而形成正電荷的靜電勢叫屏蔽庫侖勢。下面討論:①“德拜長度”-通過“屏蔽庫侖勢”?!暗掳蓍L度”-等離子體電中性成立的空間長度。2021/6/2739討論:設待求的電勢分布為。對空間任意一點滿足泊松方程:其中:正電荷密度分布,由于屏蔽作用存在:其中:Ni(r)、Ng(r)服從麥氏分布,而且:2021/6/2740電子質量小先達到熱平衡:仍呈原來的電中性正電荷背景。電子勢能
則:(熱運動動能遠大于平均位能)展開(按為小量)取二級近似:2021/6/2741得到:(這里用到了在電荷積累前)代入到泊松方程:令:(德拜長度)2021/6/2742②德拜長度的意義(即方程的解)(p16)
在球坐標中,泊松方程可寫成:方程邊界條件:時,解應為:---屏蔽庫侖勢當r增大時,下降比(真空中的庫侖勢)快的多。2021/6/2743①屏蔽庫侖勢的有效作用力程大致可用德拜半徑來表示。②以為半徑,以電荷中心作一球--稱德拜球。③在r<的德拜球內,庫侖作用雖被電子云削弱了,但仍然存在。④在r>的德拜球外,靜電勢場使減弱到可以忽略。
2021/6/2744德拜長度的物理意義:(p17)①等離子體對作用于它的電勢具有屏蔽能力。即為靜電相互作用的屏蔽距離或曰屏蔽半徑。②德拜長度是等離子體中電中性條件成立的最小空間尺度。
A、當r<時有靜電勢場存在,在此范圍不具有電中性。
B、當r>時等離子體具有電中性
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