等离子体性及其应用技术.doc

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1、第一章等离子体特性及其应用技术目前，低温等离子体技术已在材料、微电子、化工、机械及环保等众多学科领域中得到较广泛地应用，并已初步形成一个崭新的工业-等离子体工业。例如，在材料学科中，采用等离子体物理气相沉积技术和化学气相沉积技术可以合成一些新型功能薄膜材料；在微电子工业中，采用等离子体刻蚀技术可以对超大规模集成电路进行加工；在化工学科中，采用等离子体聚合技术，可以制备出一些高分子薄膜材料。可以说，“等离子体”这个名词与现在的高新技术领域已联系在一起。低温等离子体技术之所以得到如此广泛地应用，在很大的程度上得益于人们对低温等离子体的物理过程以及等离子体与固体材料表面相互作用机理等方

2、面的研究。本章在具体讨论等离子体与固体表面的相互作用过程之前，先对等离子体的概念﹑特性及其应用技术做以简单介绍。1.1等离子体特性通常称等离子体是“物质的第四态”，它是由许多可流动的带电粒子组成的体系。通常我们在日常生活中很难接触到等离子体，其原因是在正常情况下物质是以固态、液态及气态形式存在的。实际上，在自然界中99%的物质是以等离子体状态存在的。我们的地球就是被一弱电离的等离子体（即电离层）所包围。在太空中的一些星体及星系就是由等离子体构成的，如太阳就是一氢等离子体球。当然，人们也可以在实验室中采用不同的气体放电方法来产生等离子体。用于材料表面改性或合成新材料的等离子体，一般

3、都是由低气压放电产生的。等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学参量，其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本的参量。对于实验室中采用气体放电方式产生的等离子体主要是由电子、离子、中性粒子或粒子团组成的。因此，描述等离子体的密度参数和温度参数主要有：电子的密度n和温度T、离子的密度n和温度T以及中性粒子的密度n和温度T。在一般情况下，为了保证等离子体的宏观电中性，要求等离子体处在平衡状态时，电子密度近似地等于离子密度n»n=n。可以用电离度（1.1-1）这个物理参量来描述等离子体的电离程度。低气压放电产生的等离子体是一个弱电离的等离子体（<<1）。当时

4、，为完全电离等离子体。对于实验室中采用低气压放电产生的等离子体，电子的温度T约为1~10eV(1eV=11600K),远大于离子的温度T(只有数百K，基本上等于中性粒子的温度)。有时称这种等离子体为冷等离子体（ColdPlasma）。等离子体在宏观上是呈电中性的。但如果受到某种扰动，其内部将会出现局域电荷空间分离，产生电场。如在等离子体中放入一带正电量q的小球，由于该电荷的静电场的作用，它将对等离子体中的电子进行吸引，而对离子进行排斥。这样，在它的周围将形成一个带负电的球状“电子云”。这时，带电小球在等离子体中产生的静电势不再是一简单的裸库仑势，而是一屏蔽的库仑势，如：（1.1-

5、2）其中（1.1-3）为德拜屏蔽长度（DebyeShieldingLength）.可见电子云对带电小球产生的库仑势（或场）起着屏蔽作用，这种现象被称为等离子体的德拜屏蔽。德拜屏蔽长度是等离子体的一个重要物理参量。为了保证一个带电粒子系统是一个等离子体，通常要求其空间尺度L要远大于德拜屏蔽长度，即：L>>.对于典型的辉光放电等离子体，有，这样。等离子体另一个特性是其振荡性。一般地，处于平衡状态的等离子体在宏观上其密度分布是均匀的，但从微观上看，其密度分布是有涨落的，且这种密度涨落具有振荡性。为了说明等离子体密度涨落的振荡性，不妨可以假设等离子体是仅由电子和离子组成的。由于离子的质量

6、较重，可以看成离子是不动的，构成一均匀分布的正电荷的本底。如果在某点电子的密度突然受到扰动，相对正电荷的离子本底有一个移动，造成电荷空间分离。但这种电荷空间分离不能继续进行下去，因为库仑力的作用将试图把电子拉回到其原来的平衡位置，以保持等离子体的电中性。然而，由于电子具有惯性，它们到达平衡位置时并不能停止下来，而是朝另一个方向继续运动，造成新的电荷空间分离。这样一来，库仑力又要试图把它们拉回到平衡位置，依此下去¼。这种现象即称为等离子体的振荡(PlasmaOscillation)。等离子体的振荡频率为（1.1-4）实际上，上面我们讨论的是等离子体中的电子密度的振荡性。由于离子的质

7、量远大于电子的质量，因此离子的振荡频率相对很小。所以，通常讲等离子体的振荡实际上就是指电子的振荡。是等离子体的另一个重要的物理量。等离子体电中性条件要求：等离子体放电的特征时间尺度t要远大于等离子体的振荡周期。最后，我们讨论一下等离子体中的鞘层现象。考虑一等离子体在初始时刻整体上处于准电中性状态。如果在等离子体中悬浮一个不导电的绝缘基板，那么等离子体中的电子和离子都会朝着基板随机地运动，如图1.1。单位时间内，到达基板上的平均粒子数正鞘层区等离子体区xV(x)离子V0电子图1.1