等离子体物理学的应用

浅谈等离子体物理学的应用

摘要：本文介绍了等离子体的概念及低温等离子体的发生技术和原

理，还有真空等离子体的装备技术和其应用，其内容涉及等离子体的聚合、合成、接枝、纳米粒子/粉体包覆、等离子体增强沉积生物适合层及低温等离子体灭菌技术以及等离子体沉积(如磁控溅射，过滤阴极电弧沉积，等离子体化学气相沉积)，等离子体刻蚀(电容式和电感式)及等离子体表面处理技术。

关键字：真空 等离子体 薄膜 接枝 聚合与合成 灭菌

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一、引言

等离子体作为物质存在的第四态不仅已为人们所认识，而且等离子体技术已进入广泛的实际应用领域[1-26]。等离子体指部分或完全电离的气体，且自由电子和离子所带正、负电荷的总和完全抵消，宏观上呈现中性电。

国际上将等离子体分为热等离子体（Hot plasma）和冷等离子体（Cold plasmas）[38]。热等离子体的电离率接近100％，电子和离子温度相当，属于（准）热平衡等离子体。如等离子体弧、火箭发动机的等离子体射流，热核聚变等离子体。

低温等离子体的电离率较低，电子温度远高于离子温度，离子温度甚至可与室温相当。所以低温等离子体是非热平衡等离子体。低温等离子体中存在着大量的、种类繁多的活性粒子，比通常的化学反应所产生的活性粒子种类更多、活性更强，更易于和所接触的材料表面发生反应，因此它们被用来对材料表面进行改性处理。与传统的方法相比，等离子体表面处理具有成本低、无废弃物、无污染等显著的优点，同时可以得到传统的化学方法难以达到的处理效果。20世纪七八十年代起,等离子体在对金属、微电子、聚合物、生物功能材料、低温灭菌及污染治理等诸多领域的应用研究开始蓬勃发展，形成向多学科交叉的研究方向。

早期的大部分工作主要集中在低气压低温等离子体环境下的等离子体表面改性研究，为了工业应用的便利和廉价，最近几年来，大气压非平衡等离子体发生技术及其应用是目前备受关注的热点，涉及

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应用领域也非常宽广

二、低气压非平衡等离子体技术的应用研究

近20年来，高分子等离子体化学已在增强合成薄层高分子结构（沉积和接枝）、聚合材料的表面功能化、无机或聚合物基材表面的刻蚀这三个方向得到飞快发展。等离子体灭菌技术也得到应用。

1）有机和无机材料的表面功能化处理

1.1不同聚合物表面的相容性增强

复合材料发展目标是创造出将各单元体的功能要素结合起来而获得需要的功能的产品。提高双基材复合物的可加工性、先进的机械性能、化学稳定性、生物降解性等特性是可以实现的。为了达到必须的表面能兼容性，需要对原材料（其中一种或两种都要）进行表面改性。传统的兼容性技术是化学湿法进行材料组织的改性。但是聚烯烃类的材料的表面改性就非常困难，因为这些材料根本没有化学活性。

粒子填充合成：作为石化塑料的替代品，淀粉基和糊精基合成物有许多应用。它们可以生物降解，还能够通过现代处理技术保持特殊性质，包括在熔融态的可加工性和防水抗恶劣环境。为了满足这些要求，必须对淀粉进行化学或物理改性后与合成的聚合体和可塑剂混合。在聚合合成过程中，占重量比6～30％的粒状或制成胶状的淀粉通常作为功能添加剂或填充物，等离子体技术提供了高效改性天然聚合体原料的路线。与传统的化学湿法改性相比，等离子体改性技术的优点有：干法处理无污染；能够在较宽的气压范围进行；仅对表面改性；对材料内部没有影响；效能高。

1.2等离子体增强表面生物适合性

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生物适合性是指材料与生物系统具有很好的相容性，没有排异行为。研究医学和生物学问题的科学家及工程师对生物适合性进行广泛的研究，生物适合性是一个非常复杂的现象，其机理还不完全清楚。主要是缺乏对活的有机体内的详细了解。由于每年越来越多的人体部件需要更换成人造的，生物适合性问题变得非常重要。用来改变材料表面物理化学性质的传统化学湿法处理方法常常在应用时收到限制。归因于该技术的复杂性、处理过程对环境不友好、高劳动强度以及经济性不好。用等离子体改性的方法产成生物适合性表面。对细胞与暴露在非平衡等离子体中的材料表面的响应的研究表明，氧、空气和水蒸气等离子体气氛在各种基材表面植入了羟基（hydroxyl）、羰基（carbonyl）、.羧基（carboxyl）和其它官能团，这些活性基团对细胞粘连和生长机制起到重要作用。

1.3等离子体粉体/纳米颗粒包覆

纳米材料作为提高聚合物材料的各种性能在合成挤塑过程中被添加进去。由于分散性及相容性不好，往往改性效果不佳。利用等离子体对纳米材料进行包覆处理可以解决。超细二氧化钛（TiO2）是一种十分重要的无机材料。其独特的紫外线屏蔽、光催化作用、颜色效应等功能使其一经面世即倍受青睐，在防晒、杀菌、废水处理、环保、汽车工业等方面有着广阔的应用前景。等离子体处理TiO2粉体接枝包覆聚甲基丙烯酸甲酯的研究表明，无机的TiO2粉体表面接枝上C=O、－CH－、C(O)-O-C等团。

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2）等离子体制备有机和无机纳米颗粒

粒度在1－100nm范围内的颗粒称之为纳米颗粒，该尺度范围正是原子和分子相互作用的距离。正是由于这种相互作用，由纳米颗粒制成的材料的基本的物理性质发生了变化，出现新的物理特性。在纳米级的尺度上控制颗粒的孔隙或表面结构，达到提高分离过程、接触反应过程的选择性、磁耦合性能、硬度、展延性或光学性能。潜在的应用是发展超高灵敏度的化学传感器、氢燃烧电池的储氢媒质、纳米结构的磁性材料合成等。等离子体制备有机及无机纳米材料的研究是当前的热点。

3）等离子体灭菌

低温等离子体灭菌主要有三种。放射线法、过滤法和化学法。由于这些方法存在许多弊病，诸如对环境有污染（核辐射污染、化学污染）、药物残留、灭菌时间长等，目前最先进的等离子体低温灭菌技术应运而生。与通常的低温灭菌法相比较，虽然等离子体灭菌设备比较昂贵，但是，等离子体低温灭菌法具有无药物残留、安全性高、灭菌时间短、无环境污染等显著优点，不久将会成为主流灭菌技术。

低温等离子体杀灭枯草杆菌黑色变种芽孢和嗜热脂肪杆菌芽孢的实验研究表明。在射频功率400W时，等离子体放电时间1分钟就能完全杀灭枯草杆菌黑色变种芽孢，灭菌腔中的温度是26℃，比环境温度高2℃～4℃。而对嗜热脂肪杆菌芽孢进行灭菌，在射频功率只在400W时，等离子体放电时间只需要30秒钟。用常规的低温环

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氧乙烷（E.O）灭菌，草杆菌黑色变种芽孢需要180分钟，嗜热脂肪杆菌芽孢需要26分钟。 三、等离子体现

等离子体现在一般应用在以下三个主要的方面：等离子体沉积、等离子体刻蚀及等离子体表面处理。根据产生等离子体所加的电场不同，可分为直流、射频和微波等离子体。 1、等离子体沉积

等离子体沉积方面主要的设备有磁控溅射、阴极电弧沉积和等离子体化学气相沉积等。 1．磁控溅射镀膜

磁控溅射是现在使用最为普遍的一种真空等离子体装备，用于薄膜材料的制备。其原理是在被溅射的靶极(阴极)与阳极之间加一个正交磁场和电场，在高真空室中充入所需要的惰性气体(通常为Ar气)，永久磁铁在靶材料表面形成250～350高斯的磁场，同高压电场组成正交电磁场。在电场的作用下，Ar气电离成正离子和电子，靶上加有一定的负高压，从靶极发出的电子受磁场的作用与工作气体的电离几率增大，在阴极附近形成高密度的等离子体，Ar离子在洛仑兹力的作用下加速飞向靶面，以很高的速度轰击靶面，使靶上被溅射出来的原子遵循动量转换原理以较高的动能脱离靶面飞向基片淀积成膜

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。作为一项已经发展的较为成熟的技术，磁控溅射已经被应用于许

多领域。

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2．过滤阴极电弧沉积

真空电弧沉积方法属于离子注入家族中高能沉积制备薄膜的方法。其设备和方法最早在上世纪70年代的早期在文章中被报道，80年代逐渐应用于硬质薄膜和装饰镀膜(如氮化钛系列)，90年代后期又发展了过滤阴极电弧沉积技术用于类金刚石薄膜的沉积。 阴极电弧沉积的基本原理是在一真空腔体内使靶表面产生一个电弧，因为电弧放电从靶上产生离子和小微粒。因为出射粒子的能量高，所以得到的薄膜有很高的附着力和密度。因高的离化率和能量密度可在较低的衬底温度下沉积出较高质量的薄膜。但在电弧放电时所产生的小微粒会同时沉积在薄膜中而影响其质量。为了消除小微粒对膜性能的影响，发展了利用弯管磁场消除小微粒。以制备类金刚石为例，从阴极放电区域产生的碳离子(离化率接近100％)和电子，电子受到阴极过滤磁场的作用，碳离子在电磁场的作用下沉积到基体上形成类金刚石薄膜，而中性小微粒由于质量比较大，在惯性作用下直接溅射到管壁上，从而达到过滤的目的。在弯管内放置挡板以提高小微粒过滤效率(3)。此技术由作者(SZ)曾工作过的新加坡南洋理工大学首先将其产业化，并用计算机磁头保护膜(DLC)等的制备，弯管的弯曲角度，形状直接影响了过滤粒子的效果，从而影响了沉积薄膜的质量和速率。过滤的粒子越多，沉积的薄膜质量越好，但是速率也会下降。 3．等离子体化学气相沉积

一般的化学气相沉积(CVD)方法是使气体物质处于高温的状态下，发生化学热分解反应制作出薄膜。而等离子体化学气相沉积

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(PECVD)是使原料气体在等离子状态，变成化学上非常活泼的激发分子、原子、离子和原子团等，促进化学反应，制备薄膜。PECVD和热CVD方法相比较，其最大的优点是能降低一些制备薄膜时所需的温度，这样就可以使基体材料的选择更为广泛，且其制备过程容易控制。还可以加上磁场对等离子体进行约束，那样等离子体的密度提高，使得沉积的速率可以提高。

常用的PECVD根据所加电场主要有射频(RF，13.56MHz)和微波(MW，5.45GHz)等离子体化学气相沉积。RF-PECVD具有结构简单，设备成本低的特点。而MW-PECVD具有离化率高，沉积速率高，同时设备成本也较高。所制备的薄膜材料通常有氧化硅、氮化硅、类金刚石等。 2、等离子体表面处理

大多数有机物气体在低温等离子体作用下,聚合并沉积在固体表面形成连续、均匀、无针孔的超薄膜,可用作材料的防护层、绝缘层、气体和液体分离膜以及激光光导向膜等,应用于光学、电子学、医学、纺织等领域。

采用等离子体改性聚合物(PI、PEI、PP)薄膜，发现经处理的薄膜表面电阻降低了2-4个数量级，材料的介电损耗和介电常数也发生了变化。将该技术运用于微电子技术领域，可使电子元件的连接线路体积大为缩小，运行可靠性明显提高。又如，以聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯塑料均可制成价廉且易于加工的光学透镜,但其表面硬度太低，易产生划痕。采用有机氟或有机硅单体，采用低温等离子体聚合

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技术在透镜表面沉积出10nm的薄层，可改善其抗划痕性和反射指数

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。

3、等离子体刻蚀

等离子体刻蚀的基本原理:腐蚀气体分子在高频电场作用下发生电离形成等离子体,其电离反应式一般可写为A2→A+A++e式中A2表示电离气体,A+为正离子,e为电子,A为化学性质很活泼的自由基,自由基和被刻蚀材料之间的化学反应对材料产生腐蚀作用,反应生成挥发性极强的气体被抽走.等离子体刻蚀与湿法腐蚀相比最大的优点是可使刻蚀具有强方向性。

常用的等离子体刻蚀技术是采用电容耦合式(CCP)结构，均匀性好，但刻蚀速率较低。为提高刻蚀速率而提高所加功率时使离子能力增大，易造成薄膜性能的下降。新的等离子体产生方式是近年来干法刻蚀技术发展的重点。电子回旋共振(ECR)的微波等离子体刻蚀技术和感应式线圈耦合等离子体(ICP)技术已得到普遍应用。最近又出现螺线式(Helicon)、螺线共振式(Helical-resonator)、空心阳极式(Hollow-anode)和共振感应式(More3等新型等离子体结构。这些新开拓的技术的共同特点是能够产生高密度的等离子体，以提高腐蚀速率和腐蚀均匀性。

四、结论

当今热点研究的大部分内容是关于高分子等离子体化学的一个新生的研究领域－聚合科学。因为体现高效能、低消耗（资源）、无

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污染的绿色化工是当今发展的潮流，传统的高耗能、低效率的、工艺复杂且流程长的化学处理（聚合、复合、接枝等）过程对环境不友好。在新材料的合成、聚合、改性等方面，传统的化学手段无法实现，而等离子体技术可方便地实现。所以今后一个相当长的时期内，等离子体物理学将继续取得多方面的进展

参考文献：

http://wenku.baidu.com/view/b3b4a70590c69ec3d5bb750c.html http://wenku.baidu.com/view/0e5f81f67c1cfad6195fa7b2.html http://wenku.baidu.com/view/d70931768e9951e79b89277f.html http://baike.baidu.com/view/1277.html?tp=0_01

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