等离子体化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

等离子体化学与工艺等离子体化学与工艺第1页概述概述 一.等离子体发展历程：1745年莱顿瓶：最原始电容器。用于储积大量电荷并取得高静电电位。1750年本杰明富兰克林证实了电单流体理论。并同时证实了闪电是电一个形式，并引入了正负极概念。他创造了避雷针，因而防止了许多财富和人命无须要损失。第2页18法拉第在放电和直流放电管工作情况研究。19劳伦兹提出了“电子”术语。在1898年WilliamErookes引入“电离”，用来描述中性原子被击碎形成电子和离子。第3页基于真空系统发展：基于真空系统发展：1862年真空泵（10-3Torr）创造。19水银旋转泵（10-5Torr）(1atm=760Torr=101325Pa)。1928年等离子体定义和研究（汤姆斯和朗缪尔）。1929年德拜长度（描述等离子体存在条件）。1935年旋转油力泵。1955年油扩散泵。1965年涡轮分子泵。因为真空系统发展和能量给予方式不停进步，当前等离子体应用极广。第4页二二.等离子体定义：等离子体定义：指电离气体。是由电子离子原子分子和自由基等粒子组成集合体。其中电子和离子数相等，对外表现为电中性。第5页三三.等离子体产生方式等离子体产生方式 1.电场加速电子：直流电场，交变电场（射频，微波）2.激光诱导3.热4.爆炸5.雷电（电场）第6页四等离子体分类四等离子体分类1.高温（上亿度）2.热：焊接，切割（几万度）3.等离子体（一千度以下室温）第7页聚变电站第8页等离子体焊接与切割等离子体焊接与切割第9页五、等离子体技术应用五、等离子体技术应用1.显示和照明（等离子体电视）2.焊接和切割3.冶炼（高纯态，无接触）4.制粉，制膜纳米材料5.刻蚀，微细加工（0.5以下用干法）6.环境保护应用（笑气，NO2，CO，SO2）7.表面处理和改性第10页微波ECR等离子体技术及薄膜制备 ECRMOPECVD设备第11页感应耦合离子源增强电子抢镀膜技术感应耦合离子源增强电子抢镀膜技术第12页ICP源和TCP源第13页ICP离子源气体放电第14页第一章第一章 物质第四态物质第四态-等离子体等离子体 1.1电离气体和等离子体1.1.1等离子体概念1.物质状态：固体，液体，气体，等离子体-物质第四态。2.等离子体态：等离子体是一个导电气流体：而又能在与气体体积相比拟宏观尺度内维持电中性。气体分子间并不存在净电磁力，而电离气体（等离子体）中带电粒子间存在库仑力，因而造成粒子群种种集体运动。第15页 作为一个带电粒子体系等离子体，其运动行为会受到磁场影响和支配。定义：等离子体就是电离气体。是由电子离子原子分子和自由基等粒子组成集合体。说明：不是任何电离气体都能算等离子体。只有当带电粒子密度到达其建立空间电荷足以限制其本身运动时，带电粒子才会对体系性质产生显著影响，这么密度电离气体才转变成等离子体。第16页1.1.2等离子体存在 闪电和极光。宇宙中，99%以上物质都呈等离子体态。太阳时一个灼热等离子体球。常见有：霓虹灯管中辉光放电，电火花等。第17页1.2等离子体空间化学现象等离子体空间化学现象 1.2.1化学角度等离子体1.化学上为使原子或原子团重新组合，就要提供反应所需活化能但地球是一个“冷星球”（引申：寻求激活反应体系新方式）。2.物质有气态转变为等离子体态时，其化学行为发生改变即等离子体空间富集离子电子激发态原子，分子和自由基。第18页3.辉光放电氢等离子体：第19页注：这些活性物种在通常化学反应中不易得到，但在等离子体态都可连续安全地生产。这种激发是靠电子动能激发，与热能，光能等激发方式有所不一样，在等离子体中便会显示出许多特异化学现象。由一些简单物质，在无催化条件下，即可得到比较复杂生成物：注：这可说明地球上原始大气是怎样合成有机物和氨基酸。第20页氮气等离子体：（氮气是不活泼，在很多场所作为保持气体来使用。如：氧气活泼，发生氧化）由等离子体氮可生成许多氮化物：TiN,超硬膜，BN氮化硼，SiN4等。第21页 等离子体中原子氧与有机化合物反应：先是夺取烷基中氢使之氧化，伴随氧化不停进行，最终能使有机物分解为CO2和H2O对有双键烯烃类也是如此只不过中间还要经过环氧化。RCH=CH2+O*RCHOCH2RCOCH3第22页 原子氧这种反应被有效地用于高分子材料表面亲水处理或在分析化学中低温灰化（等离子体刻蚀光刻胶）。结论：以上反应是在等离子体中靠近室温条件下实现。因为这一特征使得许多通常不能发生，或需要在极其苛刻条件才得发生化学反应改变很轻易进行。比如：金刚石合成P6总结：等离子体-化学相“关联形成一门新学科：等离子体化学第23页1.2.2等离子体化学形成1.放电化学：（P7）碳电极之间作氢气放电直接合成乙炔等等。2.等离子体：plasma希腊语，“愿意”能组成成型东西医学上作“血浆”,“原物质”讲。朗谬尔等发觉电离气体中存在着荷电粒子持有周期性振荡，喻之为生命脉动而称其为等离子体。第24页3、发光现象，热源发展到等离子体化学a、发光霓虹灯,荧光灯,水银灯等。b、热能：金属加工,熔融,等离子体焊接,切割,磁流体发电,受控核聚变。c、因为高技术发展对新材料新工艺迫切要求引发了人们对等离子体空间化学现象广泛兴趣,开始对于等离子体化学能研究和利用，等离子体化学诞生。第25页1.3.1粒子密度和电离度1、密度：基本成份:电子ne离子ni中性粒子ng普通:ne=ni时,为等离子体密度C单位是:1010cm-3（立方厘米1010个）2、电离度:1.3等离子体参数-密度和温度第26页很小时称为弱电离,较大时称弱电离,1时叫完全电离3、带电粒子间平均距离l(粒子密度可由带电粒子间平均距离求出)：若单位体积带电为N：则N=ne+ni，则:l=N-1/3第27页4.电子在离子静电势场中平均势(一阶电离而言)第28页1.3.2电子温度和离子温度1.温度:含有统计概念，是：“大量分子动能统计量”A、温度实际上是物质内部微观粒子平均平动动能量度.B、在热力学平衡状态下,粒子遵从麦氏分布,且单个粒子平动为:第29页C、当PETi，普通Te温度达1014K以上，而Ti或Tg在300500K。这时叫低温等离子体(coldplasma冷等离子体)普通在100Torr(1Torr=133Pa)以下低气压下形成。第33页注意P11:应消除产生“误解”.“高温”,“低温”低温:Te10ev,约合1x105:.但Ti只有“数百开”（200300k）。高温:热核聚变达到上亿度。结论:在等离子体化学与工艺中,因电子能量变可使分子原子激发,离解和电离,其次体系又在低温下,乃至接近于室温.这样化学反应设备投资少,省能源在普通情况下可实现。第34页1.3.3.沙哈方程1、电离平衡：在等离子体中，产生电离同时伴伴随复合。在热力学平衡态下，因为电离速率和复合速率相等时状态。在温度T时,电离度与电离条件关系式:沙哈方程（气体电离电位，P单位是Torr）第35页2.如Cs铯：电离电位低（）蒸汽在0.75x10-5Torr低气压,在K便全电离。在1大气压下,需要8000K方可全电离。又如：氩（vi=15.759ev)电离电位高：在0.75x10-5Torr时，在5000K以下几乎不电离。注意：不一样等离子体密度和温度值可能悬殊很大。第36页1.4等离子体准电中性基本特征：维持宏观电中性。由等离子体屏蔽特征和振荡特征电中性条件空间尺度和时间尺度。等离子体判据。1.4.1概述：1、正离子和电子空间电荷相互抵消，使等离子体在宏观上展现电中性。第37页2、因为热运动或外界干扰，等离子体内时时处处都有可能出现电荷分离，偏离电中性现象。一旦出现偏离，这时电荷间库仑作用又使电中性尽快得到恢复。3、比如；P14：对于R=1cm小球，突然有万分之一电子转出球外，电中性被破坏，球内正电荷过剩，可算出在球心1cm球面处，电场达。4、等离子体在“偏离”-“恢复“之间运动着。同时有故谓之为“准电中性”。第38页1.4.2德拜屏蔽与德拜长度因为扰动使之出现电量为q正电荷积累。“电子云”：静电作用形成“电子云”。这时“电子云”包围减弱了积累起来正电荷对远处带电粒子库仑力。这即是“静静电电屏屏蔽蔽”“德德拜拜屏屏蔽蔽”从而形成正电荷静电势叫屏蔽库仑势。下面讨论：“德拜长度”经过“屏蔽库仑势”。“德拜长度”等离子体电中性成立空间长度。第39页讨论：设待求电势分布为。对空间任意一点满足泊松方程：其中：正电荷密度分布,因为屏蔽作用存在:其中：Ni(r)、Ng(r)服从麦氏分布，而且：第40页电子质量小先到达热平衡：仍呈原来电中性正电荷背景。电子势能则:(热运动动能远大于平均位能)展开(按为小量)取二级近似：第41页得到:(这里用到了在电荷积累前)代入到泊松方程:令:(德拜长度)第42页德拜长度意义(即方程解)(p16）在球坐标中,泊松方程可写成:方程边界条件：时，解应为：-屏蔽库仑势当r增大时，下降比（真空（真空中库仑势）中库仑势）快多。第43页屏蔽库仑势有效作用力程大致可用德拜半径来表示。以为半径，以电荷中心作一球称德拜球。在r德拜球外，静电势场使减弱到能够忽略。第44页德拜长度物理意义：（德拜长度物理意义：（p17）等等离离子子体体对对作作用用于于它它电电势势含含有有屏屏蔽蔽能能力力。即即为为静静电电相相互互作作用用屏屏蔽蔽距距离离或或曰曰屏蔽半径。屏蔽半径。德德拜拜长长度度是是等等离离子子体体中中电电中中性性条条件件成立最小空间尺度。成立最小空间尺度。A、当r时等离子体含有电中性。第45页德拜长度还能够作为等离子体宏观空间尺度下限即：等离子体空间尺度L必须远大于德拜半径。判据等离子体第四态存在条件.综合可知:都是描述等离子体空间尺度。或(这里量纲分别为绝对温度K,电子伏特)第46页1.4.3朗谬尔振荡与振荡频率一.振荡频率离子近似不动,电子偏离：面电荷密度:电场:电子受电场力:运动方程:第47页运动方程:其解:振幅:A,振荡频率为:在等离子体中电子振荡频率为:同理可得离子振荡频率:即即大大惯惯性性大大,振振荡荡频频率率小。小。第48页令等离子体振荡频率为时:第49页二.空间尺度和时间尺度空间尺度:德拜半径。时间尺度:等离子体振荡时间周期:第50页第51页第52页第53页第54页第55页