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等離子體是由氣體分子受熱或外加電場及輻射等能量激發離解、電離形成的電子、離子、原子(激發態或基態)、分子(激發態或基態)及自由基等組成的導電性流體。在等離子體發生器中,除了等電量的正、負粒子外,還存在許多化學活性物質及其因輻射而發出的不同波長的光子。等離子體的能量可通過光輻射、中性分子流和離子流作用到材料表面。等離子體內高速運動的帶電粒子和中性粒子通過對材料的碰撞將其能量直接轉移到材料表面,產生加熱、刻蝕、形成自由基、聚合、結晶與交聯等一系列復雜的物理化學作用。

等離子體對材料表面作用的物理過程

等離子體與材料表面作用的物理過程主要包括以下幾個方面:

(1) 解吸:在等離子體與材料表面作用時,可以通過離子、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(范德華力或化學鍵合力)而解吸離開固體表面,即離子解吸、電子解吸、中性粒子解吸和光解吸。

(2) 復合:由于負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電性,帶正電荷的粒子被吸引向負電性表面運動,這將助長了電子與正離子的復合過程。在三體碰撞中,正負電性粒子碰撞復合,復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,并加速了復合過程。

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

(4) 濺射:當離子或中性粒子與固體表面作用時,入射粒子的動能通過碰撞將能量傳遞給表面原子,使表面原子獲得超過結合能的動能而濺射出來。有些濺射粒子返回固體表面還會產生自濺射過程。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,打入固體內部與固體內原子結合,引起固體結構的變化,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合生成揮發性產物,這些產物從表面揮發掉而造成等離子體在材料表面的刻蝕。

等離子體對材料表面作用的化學過程

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

(1) 氧化:氧是強的氧化劑。當等離子體中有氧存在時,會對材料表面起氧化作用,生成氧化物或過氧化物。

(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。

(3) 觸媒:等離子體化學反應過程中,由于某種材料(如鉑電極或器壁)的存在,起了對一些化學反應過程的促進作用。

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

(5) 聚合:當等離子體中引入單體時,可在材料表面產生聚合反應。這種反應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在材料表面產生自由基,然后與單體結合,結合的方式有分子鏈發生交聯、從側鏈上接枝或官能團置換,以及嵌段聚合等。