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低溫等離子體概述


低溫等離子體也稱非平衡態(tài)等離子體，一般是指電子、離子、中性粒子的溫度Te，Ti，Tn，滿足Te>>Ti且Te>>Tn。之所以稱為低溫等離子體，主要是質(zhì)量大的離子和作為等離子體本體的中性粒子一般都處在室溫，它整體對(duì)外表現(xiàn)出很低的溫度；而又被稱為非平衡態(tài)等離子體，主要是電子的溫度可以達(dá)到幾個(gè)eV（幾萬度），與離子、中性粒子沒有達(dá)到熱平衡。

一般在低氣壓下，通過氣體放電就可以產(chǎn)生低溫等離子體。對(duì)氣體施加電壓，一些游離的電子在外電場(chǎng)的作用下開始加速，高速的電子會(huì)與氣體的原子或分子發(fā)生碰撞。如果電子的能量沒有達(dá)到原子的最低電離能，電子就會(huì)跟原子發(fā)生彈性碰撞，由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子的質(zhì)量，在彈性碰撞中電子幾乎不失去能量，而接著被電場(chǎng)加速。當(dāng)電子的能量達(dá)到原子的最低電離能時(shí)，就會(huì)發(fā)生非彈性碰撞，原子吸收電子的能量而發(fā)生電離，除了發(fā)生電離外，還會(huì)有激發(fā)躍遷、退激輻射，產(chǎn)生大量的光子和處于亞穩(wěn)態(tài)的原子；如果氣體含有分子和化合物，由于低溫等離子體的碰撞不是很劇烈，會(huì)有游離態(tài)的未成對(duì)的原子和中性基團(tuán)產(chǎn)生，它們都具有很高的化學(xué)活性。

低溫等離子體兩面性的表現(xiàn)就是除了具有經(jīng)典的物理特性外，還具有化學(xué)活性。其實(shí)它的化學(xué)活性是由其微觀結(jié)構(gòu)中的非彈性碰撞來決定的，說到底還是原子物理的成分，包括分子、原子的激發(fā)、電離和離解，但是它化學(xué)活性的核心就是這些非彈性碰撞的生成物－活性基團(tuán)（高能電子，亞穩(wěn)態(tài)原子，中性基團(tuán)，光子），這些活性基團(tuán)極其不穩(wěn)定，很容易重新組合成新物質(zhì)。

以氧等離子體為例，氧分子在電子的非彈性碰撞下會(huì)產(chǎn)生電離、激發(fā)和離解，會(huì)有氧離子O2+，激發(fā)態(tài)的氧分子O2*，游離態(tài)的氧原子O生成，這個(gè)基團(tuán)都是具有很強(qiáng)的化學(xué)活性的基團(tuán)。

電離：e+O2→O2++2e
激發(fā)：e+O2→O2*+e
離解：e+O2→O+O+e

而且電離的發(fā)生會(huì)有很多帶電基團(tuán)生成如電子e和離子O2+，它們?cè)陔妶?chǎng)的作用下會(huì)加速，高速的電子和離子會(huì)與材料表面發(fā)生碰撞而發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng)，它們的作用也不容忽視。

低溫等離子體以其活波的化學(xué)活性見長(zhǎng)，所以它的應(yīng)用主要也是以化學(xué)應(yīng)用為主，主要就是應(yīng)用在新型材料的制備和對(duì)材料進(jìn)行表面改性方面。而且利用低溫等離子體方面制備材料與傳統(tǒng)化學(xué)方法相比有很多優(yōu)點(diǎn)，以低溫等離子體的干法刻蝕與以往用腐蝕液進(jìn)行的濕法刻蝕相比為例，優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。第一，濕法刻蝕產(chǎn)生大量廢液，造成公害，采用氣體的干法刻蝕避免了廢液處理問題，排出廢氣的凈化處理過程也較方便簡(jiǎn)單。第二，濕法刻蝕必須在高溫條件下進(jìn)行，而干法刻蝕低溫時(shí)就可獲得較高的反應(yīng)速度，主要就是利用低溫等離子體中含有大量的活性基團(tuán)。第三，濕法刻蝕通常是由液體與基板的接觸點(diǎn)開始各相同性地進(jìn)行，而反應(yīng)性離子刻蝕可以沿著離子地入射方向?qū)崿F(xiàn)非各相同性刻蝕。而且低溫等離子體刻蝕特別適用于需要進(jìn)行高精細(xì)加工的期間制作上。而且低溫等離子體的表面改性技術(shù)可以是一些聚合物表面性能（親水性，粘結(jié)性）發(fā)生很大的改觀，是其他化學(xué)方法都無法完成的。

不過在使用低溫等離子體制備新型材料和對(duì)材料進(jìn)行表面改性時(shí)，必須要有穩(wěn)定的等離子體源及等離子體診斷，它們是與低溫等離子體應(yīng)用不可分割的整體。
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