等离子体技术与应用英文课件：Lecture 03-Introduction to Plasma Chemistry-1.pdf

等离子体化学是物理学的一个分支，它研究在等离子体状态下的物质化学反应。等离子体是由离子、电子、未电离的原子和分子以及辐射组成的部分或完全电离的气体。这种状态下的物质可以通过外部能量（如电场、磁场）被激发和电离。等离子体技术在材料表面改性等应用领域具有重要地位。 等离子体化学在材料表面改性中的目的是通过化学反应改变材料表面的组成、结构和性质。例如，使用CH4+H2等离子体进行金刚石或金刚石样碳(DLC)薄膜的沉积，利用等离子体的高温环境分解反应物生成所需的化学物种。等离子体就像是一个小型化学工厂，其中电子、光子、离子和自由基是参与反应的基本成分。 在热丝化学气相沉积(HFCVD)金刚石薄膜的过程中，等离子体化学的作用表现为反应器中存在化学“汤”，分子被分解为小片段、自由基和原子。在金刚石表面，会形成一层密集的氢原子，它们攻击表面的氢终止部分。等离子体化学反应可以分为气相反应和表面反应。气相反应是均相反应，发生在气体阶段，而表面反应是异相反应，发生在固体表面。 等离子体化学反应具有非热力学平衡的特点，在较低温度下能够高效生成化学活性物种。电子从外部电场获得能量，并通过弹性碰撞增加分子的动能，在非弹性碰撞中使分子解离或电离。因此，等离子体化学反应为在低温条件下生成反应性物种提供了一种独特的可能性，这为材料加工提供了巨大的优势。 等离子体辅助材料处理的主要优势在于化学反应可以在比热平衡温度低得多的条件下发生。例如，在等离子体中引入的多原子原料分子会发生解离和电离反应。例如，CH4+H2等离子体中可能会产生H、CH3、CH2、CH、C、C2等活性物种。电子从电场中获得能量，与分子碰撞使分子通过弹性碰撞增加动能，并通过非弹性碰撞发生解离或电离。 此外，表1列出了从选定的多原子分子中移除连续原子所需的能量，这些分子包括甲烷(CH4)和硅烷(SiH4)，及其与氢原子的键能。不同分子间以及不同键之间的键能存在差异，这影响了等离子体化学反应的过程和效率。 等离子体中“热电子”在分子键的解离过程中起到了关键作用。例如，H-CH3键能为4.5eV，当等离子体中的电子获得足够的能量时，就能够打破这些键。通过这种方式，等离子体技术能够对材料表面进行精细的加工和修饰，极大地拓展了材料科学的应用领域。 总结而言，等离子体化学为材料表面改性提供了独特的方法和手段，它通过精细的化学反应过程，在不引入高温的情况下能够实现材料表面性能的显著提升。等离子体化学的研究和发展对于材料科学和纳米技术等领域至关重要，预示着未来在功能性材料设计和制造方面的巨大潜力。