等离子体技术系列物理实验

报告内容： 等离子体概况 等离子体技术的工业应用 等离子体技术应用实验教学平台的构建

一 等离子体概况 等离子体定义 狭隘定义：由大量正、负带电粒子组成的电荷准中性体系。 一 等离子体概况 等离子体定义 狭隘定义：由大量正、负带电粒子组成的电荷准中性体系。 广义定义：包括整体上并不是电中性的大量带电粒子组成的宏观体系。 通常将等离子体划为物质的 第四态，从这个角度来看，等离子体的 产生过程如下：

物质随温度升高的演化过程 (4) 等离子体态 (1) 固态 (2)液态 (3) 气态 原子尺度的图象 Ionization occurs With molecule collisions (4) 等离子体态 Fourth state of matter Many ions and electrons （电离态） ３０００℃ －１０℃ ３０℃ １２０℃ 冰 水 汽 (1) 固态 (2)液态 (3) 气态 原子尺度的图象

等离子体的产生方法 从等离子体的产生过程来看，产生等离子体的一般方法就是将一定能量作用到物质上使其分子、原子发生电离。 根据能量形式的不同，等离子体可以分为：直流放电等离子体、射频放电等离子体、微波放电等离子体、激光等离子体等。 根据工作气压的不同，等离子体可以分为：低气压等离子体和常压等离子体。

(1) 加热气体到高温 (2) 气体放电 高能粒子间的碰撞导致电离发生 大量的带电粒子形成 等离子体 加热产生等离子体的效率很低 分子 分子 ＋ 大量的带电粒子形成 等离子体 - 电子 加热产生等离子体的效率很低 ＋ - 电子 (2) 气体放电 中性分子 离子 大量带电粒子形成 等离子体

(a) 直流放电

（b） 射频放电 弱电离等离子体 高反应活性 Plasma Pressure：200 mTorr (20 Pa) 基板 Power：13.56 MHz, 100-1000 W Plasma 16 -3 Electron density: 5x10 m Te= 2 -4 eV RF source 弱电离等离子体 RF bias 高反应活性

(c) 微波放电 表面波等离子体 l0=12 cm Microwave 2.45 GHz 波导 表面波 石英平板 25 cm 槽缝天线

Burning Sun 等离子体在宇宙中的存在 Hydrogen plasma Temperature of corona Is a few million degree C Nuclear fusion Burning Sun 宇宙的99.9% 是等离子体

二 等离子体技术的工业应用 1 等离子体技术工业应用的特点 同化学的和其它的方法相比： 等离子体具有更高的温度和能量密度； 二 等离子体技术的工业应用 1 等离子体技术工业应用的特点 同化学的和其它的方法相比： 等离子体具有更高的温度和能量密度； 等离子体能够产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。活性成分包括紫外和可见光子、电子、离子、自由基；高反应性的中性成分，如活性原子，受激原子态，活性分子碎片，如单体。

同其它与之竞争的加工方法相比： 工业等离子体工程提供了更有利的工业加工方法，包括 －－更有效和更便宜达到工业相关结果的能力； －－能完成其它方法不能完成的任务； －－能在不产生大量不需要的副产品的情况下达到相同目的； －－能在产生很少污染和有毒废物的情况下实现相同目的。

2 等离子体技术的工业应用领域 新材料 等离子体 航空航天 光电子 环境 能源

功能薄膜材料、纳米材料的制备 5 µm 微波等离子体制备的金刚石 单壁碳纳米管

微电子领域的加工 22mm 0.1mm

精密机械加工 等离子体刻蚀加工制造的微小齿轮系统

环境、卫生领域

三 等离子体技术应用 实验教学平台的构建 1 等离子体原理 2 新材料的合成 3 材料的等离子体改性 4 材料加工

1 等离子体原理 实验项目一: 直流辉光放电等离子体的实验研究 至真空泵 水冷法兰 电极 进气管道 流量计

技术背景： 直流放电因为结构简单、成本低而受到广泛应用。 影响因素：电极材料、电极距离、气体种类、放电气压等。 影响结果：电子温度、浓度。 通常的直流辉光放电是在封闭了特定气体的放电管上进行的。 缺点：电极的形状大小、电极材料、电极距离、放电气压、气体种类等影响等离子体参数的因素一般不能调节。

（2）设计实验方案测量放电电压、微小电流的关系，完成汤森第一电离系数的测定。 实验内容: （1）研究放电参数（电压、电流、气压等）与等离子体的参数（电子温度和浓度）的关系，完成等离子体电子温度和浓度的测量实验。 （2）设计实验方案测量放电电压、微小电流的关系，完成汤森第一电离系数的测定。 （3）改变放电气压和电极距离，完成气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验、直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量。研究不同气体的电击穿特性，让学生全面掌握直流放电理论。

实验特征结果:

中科院电工研究所严陆光院士组织领导了 国家863计划燃煤磁流体发电技术 实验项目二： 磁流体发电实验 磁流体发电原理：等离子体高速通过磁场时，在洛伦兹力作于下，正、负离子分别向两个电极偏转，从而在两极间形成电势差，向外界提供可资利用的电动势。  特点：磁流体发电只须进行一次性的能量转换,即可发电。从发电机中出来的热气流还可以进行传统的二次发电，比传统发电机效率大为提高。因此，它是目前许多国家都在积极研制的一项高新技术。 十一五能源技术领域优先发展的技术 中科院电工研究所严陆光院士组织领导了 国家863计划燃煤磁流体发电技术

实验内容：(1)研究磁场强度、等离子体的参数与发电效率的关系。

实验项目三: 等离子体光谱分析实验 实验内容: (1)利用光谱仪测量不同状态的等离子体的发射光谱,以氢气为例,可研究不同入射功率、气压、氢气流量下氢等离子体光谱;研究激发态氢原子的变化情况、 氢分子振动温度的变化和激发态氢分子的相对分布。 (2)通过等离子体光谱分析进行常量、微量、痕量元素分析，如等离子发射光谱测量药品中微量元素的含量，茶叶中微量金属元素等。

等离子体光谱仪 苏州市产品质量监督检验所 等离子体发射光谱广泛用于环境、冶金、地质、生命科学、农林、石化、矿物、材料等领域的生产过程分析和产品质量检测。主要用于金属元素的测定，具有检测限低，准确度、精度高，线性范围宽，以及多元素和多谱线同时测定的优点。

多种等离子体沉积技术均可用于功能材料的制备,主要包括等离子体化学气相沉积、溅射沉积、反应溅射沉积等等。 2 新材料的合成 多种等离子体沉积技术均可用于功能材料的制备,主要包括等离子体化学气相沉积、溅射沉积、反应溅射沉积等等。

微波等离子体化学气相沉积

有高的电子温度和低的气压，因而能比直流或射频放电提供更高的电离度和离解度； 微波等离子体特点 有高的电子温度和低的气压，因而能比直流或射频放电提供更高的电离度和离解度； 微波放电没有内部电极，降低了电极材料溅射对等离子体的污染； 微波放电可在比直流或高频放电更宽的气体压强范围内稳定工作。 无磁场时：1Pa~1atm 有磁场时：1mPa~1Pa

直流等离子体沉积装置 直流等离子体的特点: 结构简单，成本低 缺点：容易产生电极污染

实验项目四: 等离子体化学气相沉积制备功能材料 实验内容: (1)金刚石的形核生长研究 研究沉积条件与基片预处理对形核密度的影响. 形核密度通过在光学显微镜下观察、计算得到. (2)金刚石薄膜的制备研究 利用多功能微波等离子体装置制备金刚石薄膜,分析其光学特性和力学性能. (3)类金刚石膜的制备研究 利用直流等离子体装置制备类金刚石薄膜,研究类金刚石薄膜对可见光透过率的影响.

多功能微波等离子体装置上实验研究结果 等离子体化学气相沉积金刚石膜 （111）晶面显露的金刚石 （100）晶面显露的金刚石 实验研究内容：工作气体种类、比例、工作气压、基片温度、微波功率对金刚石形核生长的影响

金刚石的形核研究 氮化碳晶体的合成研究SiCN晶体

光学薄膜的制备与分析 目前光学膜的制备方法主要有： 磁控溅射（射频和直流）：TiN，Cu， 电子束蒸发：TiO2，SiO2 直流溅射：各种金属膜

直流溅射原理示意图 电子束蒸发原理示意图

实验项目五: 光学膜的设计与制备 实验内容: (1) 增透、增反射膜的设计、制备与测试 (2) 直流溅射参数与膜的质量、沉积速率的关系

实验项目六：电弧放电制备金属纳米粒子 实验内容: (1)采用电爆法制备金属纳米粒子. (2) 测定所制得的粒子的比表面积,研究放电参数对粒子粒径的影响.

实验项目七: 微波烧结功能材料 微波高温烧结应用领域: 高品质陶瓷、钴酸锂、氮化硅、碳化硅、氧化铝、氮化铝、氧化锆、氢氧化镁、铝、锌、高岭土、硫酸钴/草酸钴、五氧化二钒、磷石膏/硫石膏等；烧结电子陶瓷器件：PZT压电陶瓷、压敏电阻等。

烧结原理: 均匀混合的物料或预先压制成型的料坯放入微波电场中，其中的极性分子和非极性分子就引起极化。偶极矩按照电场方向定向，由于该电场属于交变电场，所以偶极子便随着电场变化而引起旋转和震动，产生了类似于分子之间相互摩擦的效应，从而吸收电场的能量而发热，物体本身成为发热体。烧结波沿径向从里向外传播，这就能使整个样品几乎是均匀地被加热，最终完成烧结反应。 国内状况:南京杰全微波、南京三乐公司、长沙隆泰

实验内容: (1)微波烧结WC-Co 硬质合金材料,测试材料的相对密度、 制品的显微晶粒尺寸、抗弯强度、硬度等性能指标.

3 材料的表面处理 等离子体表面处理是利用等离子体所产生的活性粒子去改变固体材料的表面性能,可以是在表面添加或去除吸附的单分子层;可以与表面发生化学反应;可以是添加或去除表面电荷,可以是改变表面单分子层的物理或化学状态. 与刻蚀(etching) 、溅射(sputtering)、 沉积（deposition)的区别.

等离子体表面处理技术的应用 工件的等离子体清洗 改变材料的表面能 与表面能相关的性质： 可湿性(wettability)， 液体在材料表面的吸附，可湿性好表明有高的表面能和低接触角。 可打印性（Printability）,与表面能密切相关的性质：油墨（hydrocarbon-based ink),30-40dynes/cm;水性墨（water-based ink）,40-60dynes/cm

实验内容：研究不同气氛的等离子体对纤维、织物的亲水性、润湿性的影响，测量接触角的变化. 实验项目八：纤维、织物的表面改性 实验内容：研究不同气氛的等离子体对纤维、织物的亲水性、润湿性的影响，测量接触角的变化.

实验内容：利用含氮、碳的等离子体对金属材料表面进行氮化、碳化处理，研究等离子体参数与材料结构与力学性能的关系. 实验项目九：等离子体氮化、碳化 实验内容：利用含氮、碳的等离子体对金属材料表面进行氮化、碳化处理，研究等离子体参数与材料结构与力学性能的关系.

4 材料的加工 实验项目十：等离子体刻蚀加工 离子刻蚀的原理： 　　● 在低压下，反应气体在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体，等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团（Radicals） 　　● 活性反应基团和被刻蚀物质表面形成化学反应并形成挥发性的反应生成物 　　● 反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空系统抽出腔体 　　

等离子体刻蚀加工实验 微电子刻蚀加工原理图 实验原理示意图

研究内容：研究放电参数与刻蚀速率及加工质量的关系

研究内容：微波干燥工艺条件对木材力学性能的影响 实验项目十一：微波干燥成型木材 研究内容：微波干燥工艺条件对木材力学性能的影响

微波干燥成型木材 1 微波干燥原理   　微波干燥木材是以湿木材作为电介质，在微波电磁场中的作用下，引起湿木材中水分子的极化，由于电磁场的频繁交变，引起水分子的剧烈运动，摩擦产生热量，从而使木材干燥。微波在被干燥木材内部直接作用，叫做“透热”。“透热”所需要的时间与木材的厚度无关，而与电场强度、微波频率以及木材的介电性质有关。 用微波干燥木材一般选用微波频率为915兆赫，微波穿透深度80㎜，而微波频率为2450兆赫，穿透深度50㎜，故完全能满足一般经加工完成的成品材。

2、微波木材干燥杀虫设备的特点 (1) 干燥速度快、效率高. 据资料表明，25～50㎜的松木板干燥速度比常用的对流干燥速度快20–30倍。木材水份从30%降至12%，只需15-25分钟. (2) 干燥木材均匀、不变形、不开裂.由于微波同时作用木材的内外各部份，发热均匀，故经微波处理的木材，干燥均匀彻底，提高产品质量，表面不会板结、提高坚韧度、保证不会开裂、变形、变色、可校正弯曲度等. (3) 防蛀、防霉、延长保存期。微波干燥木材，可穿透木材内部，使用木材中寄生的虫卵很快杀灭，达到防蛀、防霉，延长保存期的作用. (4) 安全卫生、节能环保. 微波处理木材无噪音、无污染、更不会产生“三废”问题，微波作为能源的利用率可达75%以上.

微波干燥木材设备

实验项目——直流辉光放电等离子体参数的测量 实验目的: 掌握langmuir双探针测量等离子体参数的原理及方法 实验装置：多功能直流辉光放电等离子体装置 实验原理: 2W/20Pa,Te=5.8×103K=0.5eV 2W/40Pa,Te=2.5×103K=0.21eV 4W/40Pa,Te=3.2×103K=0.28eV

实验项目——气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验 实验目的: 掌握气体击穿电压的测量方法，验证气体击穿定律­--帕邢定律 实验装置：多功能直流辉光放电等离子体装置 实验原理:   典型实验结果 P*d (Pa*mm)不变时空气的击穿电压V(v) 空气的击穿电压V(v)与P*d(Pa*m)的曲线图

实验项目——微波等离子体 CVD金刚石膜的形核与生长 实验目的: 掌握PCVD的原理及金刚石膜的形核与生长工艺 实验装置：多功能微波等离子体实验装置、超声波清洗器、 高倍光学金相显微镜 实验原理: A（气）+B（气） 等离子体 C（固）+D（气） 典型实验结果 硅片表面形核30min后SEM照片 生长100min后SEM照片 装置原理图

实验项目——低温等离子体对纸张表面的改性实验 实验目的：了解等离子体表面改性的基本原理，研究直流辉光放电等离子体处理工艺参数对纸张亲水性的影响 实验原理： 实验装置：直流辉光等离子体装置 接触角测量仪

实验目的：理解直流溅射原理；掌握直流溅射薄膜材料的工艺方法 实验装置：多功能直流溅射装置、膜厚测量仪、分光光度计等 实验原理图： 实验项目——直流溅射法制备薄膜 实验目的：理解直流溅射原理；掌握直流溅射薄膜材料的工艺方法 实验装置：多功能直流溅射装置、膜厚测量仪、分光光度计等 实验原理图： 薄膜的AFM 照片 薄膜的IR光谱 薄膜的SEM 照片

谢 谢 大 家！