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等離子體是被電離了的氣體,由電子、離子以及處于基態(tài)和激發(fā)態(tài)的中性物質(zhì)組成,屬于物質(zhì)的第四態(tài)。從宏觀來看,等離子體是電中性的,但其中又含有導(dǎo)電的自由載流子。實(shí)驗(yàn)室中常通過向氣體施加高壓的方式引發(fā)氣體電離,從而生成等離子體。

依照熱力學(xué)平衡,可將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體。

(1) 高溫等離子體的電離率很高,電子溫度、離子溫度和氣體溫度基本一致,如核聚變等離子體。

(2) 低溫等離子體只有部分氣體被電離,因?yàn)榈入x子體中各種粒子溫度很難完全一致,因此又可細(xì)分為兩種:

熱平衡等離子體中電子溫度、離子溫度和氣體溫度達(dá)到局部熱平衡,且電子密度和氣體溫度都很高;

非熱平衡等離子體(也被稱為冷等離子體)中電子溫度很高,而離子和氣體溫度則接近常溫。

低溫離子體中的高能電子能夠在低溫條件下碰撞產(chǎn)生自由基、激發(fā)態(tài)的分子、原子、離子等化學(xué)活性種。

使用冷等離子體處理材料,可以激發(fā)材料表面分子發(fā)生電離,同時(shí)被處理的材料又始終處于較低的溫度,這使得材料整體的性質(zhì)不發(fā)生改變、組成成分不發(fā)生破壞。因此冷等離子體技術(shù)被普遍用于污染物處理、納米材料合成、表面改性等領(lǐng)域。

冷等離子體表面處理改性原理

由于冷等離子體中存在大量活性粒子(如電子、離子、中性粒子、自由基等),因此當(dāng)?shù)入x子體作用于材料的表面時(shí),能夠清潔材料表面的氧化物與雜質(zhì);可以刻蝕材料表面,使材料表面變得粗糙,增大材料的比表面積;向材料表面注入自由基,與材料表面枝接聚合,構(gòu)成交聯(lián)結(jié)構(gòu);在材料表面產(chǎn)生自由基和活性中心,增強(qiáng)材料表面反應(yīng)活性;電離氣體中的電子和離子的能量大約在幾至幾十電子伏特,與材料表面作用后可以打開分子間的化學(xué)鍵形成新鍵,并與放電空間所產(chǎn)生的自由基相結(jié)合,在材料表面引入新的極性基團(tuán);可以直接向材料中注入離子完成摻雜,影響材料中載流子的遷移規(guī)律,改變材料表面特性。等離子體表面改性通常只作用于材料表面的幾百納米范圍內(nèi),其能量不足以對(duì)材料本體造成損傷,是一種比較安全的處理手段。

不同的氣體電離后所產(chǎn)生的活性粒子的種類不同,因此對(duì)材料表面的改性效果也不同。反應(yīng)性氣體有O2、N2、CO、CO2和空氣等,所產(chǎn)生的等離子體中含有的化學(xué)活性種可以直接跟材料表面發(fā)生反應(yīng),從而改變表面化學(xué)結(jié)構(gòu);非反應(yīng)性氣體有Ar和He等,所產(chǎn)生的等離子體中的化學(xué)活性種不可以直接跟材料表面發(fā)生反應(yīng),但是可以利用其中的高能粒子轟擊材料表面以產(chǎn)生大量的高活性自由基,從而改變材料表面的化學(xué)及物理性能。

因此冷等離子體表面處理技術(shù)已被公認(rèn)為一種低能耗、作用周期短,更重要的是不產(chǎn)生化學(xué)廢物的固體材料表面改性工具,等離子體的能量高、同時(shí)作用溫度低,具有不可替代性,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)、微電子、環(huán)保、航天及航海等領(lǐng)域。